Capitolul 7 7. AMPLIFICATOARE ELECTRONICE

Transcript

1 Captoll 7 7. MPIFICTORE EECTRONICE 7.. Parametr amplfcatoarelor Un amplfcator este n crct electronc care măreşte pterea n semnal electrc, lăsând nescmbată varaţa l în tmp. Pentr a ptea îndepln această fncţe, n amplfcator trebe prevăzt c srsă de energe electrcă, pe seama cărea se obţne sporl de ptere de la eşre ş c elemente actve capable să transforme în energe de crent alternatv, varabl în rtml semnall, o parte dn energa absorbtă de la srsa de almentare. C ajtorl n tranzstor se poate obţne o amplfcare în ptere, în tensne sa în crent. Strctra amplfcatoarelor este complexă, acestea conţnând în mod frecvent ma mlte tranzstoare. Gradl de complextate ş varetatea scemelor depnd de o sere de factor cm ar f: nvell semnall de ntrare, nvell semnall de eşre, banda de frecvenţă, fdeltatea redăr, etc. Reprezentarea n amplfcator sb formă de cadrpol se poate face ca în fgra 7.. I I U R U Fg. 7.. mplfcatorl reprezentat ca n cvadrpol.

2 Parametr (performanţele) n amplfcator caracterzează crctl dn pnctl de vedere al ansambll pe care îl reprezntă, nefăcând-se referre la strctra nternă. Pentr n amplfcator se pot defn astfel parametr de ntrare, de eşre ş de transfer. a) Parametr de ntrare - Gama tensnlor ce se pot aplca la ntrare reprezntă domenl de valor pe care le poate la semnall de la ntrare astfel încât amplfcatorl să n se dstrgă sa să determne scmbarea regml de lcr. - Impedanţa de ntrare este mpedanţa ecvalentă la bornele de ntrare, atnc când la bornele de eşre este conectată mpedanţa de sarcnă nomnală. cest parametr caracterzează încărcarea prodsă de ntrarea amplfcatorl aspra srse de semnal, sa altfel sps, cm smte generatorl de semnal crctl de amplfcare. Impedanţa de ntrare se defneşte prn relaţa U. I Utlzarea mărmlor complexe pentr descrerea mpedanţe de ntrare este necesară deoarece aceasta este formată, în general, dntr-o parte actvă (rezstenţă) ş dntr-o parte reactvă (capactate cel ma des). Ca rmare, mpedanţa de ntrare este dependentă de frecvenţă, ntrarea amplfcatorl comportând-se dfert în fncţe de frecvenţa de lcr. Impedanţa de ntrare a n amplfcator trebe să fe cât ma mare ş să n vareze c frecvenţa de lcr. b) Parametr de eşre - Gama de tensn / crenţ la eşre reprezntă domenl de valor pe care le poate la tensnea / crentl de eşre dn amplfcator. Pentr valor ale semnall de eşre cprnse în acest nterval, semnall n este dstorsonat. - Impedanţa de eşre este mpedanţa nternă a generatorl ecvalent între bornele de eşre ale amplfcatorl ş se defneşte c ajtorl relaţe U, I Us în care U s este tensnea generatorl de semnal conectat la bornele de ntrare ale amplfcatorl. 0

3 Pentr semnale de eşre de tp tensne, mpedanţa de eşre trebe să fe cât ma mcă. c) Parametr de transfer mplfcarea se defneşte ca raportl dntre mărmea de eşre ş mărmea de ntrare. Se pot defn: - mplfcarea în tensne prn relaţa - mplfcare în crent - mplfcare în ptere U U I I P p P ( ω) e nde P este pterea la ntrare ş P este pterea la eşre. Relaţle de ma ss consderă amplfcarea ca o mărme admensonală, deoarece se exprmă prn raportl a doă mărm de acelaş tp. Exstă aplcaţ în care domenl de varaţe al amplfcăr este mare ş tlzarea ne scăr logartmce este ma avantajoasă. De asemenea, dacă ma mlte etaje de amplfcare snt conectate în cascadă, scara logartmcă permte calclarea amplfcăr totale prn smarea amplfcărlor parţale ale fecăr etaj în parte. mplfcarea se exprmă în decbel (db). mplfcarea în tensne mplfcarea în crent mplfcarea în ptere U 0 lg( ) 0 lg [db] U 0 lg( ) 0 lg [db] I p 0 lg( p ) 0 lg [db] P I mplfcarea măsrată în decbel se nmeşte câştg (gan în lmba engleză). P j φ ( ω) 3

4 7.. Caracterstcle amplfcatoarelor a) Caracterstca ntrare-eşre f ) (vez fgra 7.) reprezntă ( dependenţa mărm de eşre de mărmea de ntrare. U [V] B C -U max O U max U [V] Fg. 7.. Caracterstca ntrare-eşre aamplfcatorl. Se evdenţază o zonă lnară (O), de obce smetrcă în jrl orgn, o zonă nelnară (B) ş o zonă nelnară de satraţe (BC). Depăşrea valor maxme a semnall de ntrare determnă ntrarea în regm de fncţonare nelnară a amplfcatorl. Efectl nelnartăţ condce la dstorsonarea semnall de la eşrea amplfcatorl. ceste dstorsn se nmesc dstorsn de nelnartate. b) Caracterstcle de frecvenţă se referă la reprezentarea evolţe n parametr al amplfcatorl în fncţe de frecvenţă. În mod crent se folosesc doă astfel de caracterstc: caracterstca ampltdne-frecvenţă ş caracterstca fază-frecvenţă. b ) Caracterstca ampltdne-frecvenţă (fg. 7.3) caracterzează n amplfcator, ce fncţonează în porţnea lnară a caracterstc ntrare-eşre, fncţe de frecvenţa semnall de la ntrare. Se determnă în regm snsodal. 4

5 0 0 f mn f max [Hz] Fg Caracterstca ampltdne-frecvenţă a amplfcatorl. Domenl de frecvenţă în care amplfcarea rămâne aproxmatv constantă determnă banda de trecere sa banda de frecvenţă a amplfcatorl. În fgra 7.3 s-a defnt doă frecvenţe, f mn ş f max ce corespnd scăder amplfcăr de la 0 la 0, Dferenţa celor doă frecvenţe constte banda de trecere la 3 db (corespnzătoare scăder amplfcăr la 0,707 dn 0. Cele doă frecvenţe se ma notează f j ş f s ş se nmesc frecvenţa lmtă de jos, respectv, frecvenţa lmtă de ss pentr banda de frecvenţă. b ) Caracterstca fază-frecvenţă reprezntă dependenţa defazajl ntrods de amplfcator în fncţe de frecvenţă. Pentr ca semnall amplfcat să abă aceeaş formă c semnall de la ntrare, trebe ca defazajl ntrods de amplfcator să fe zero sa să exste o dependenţă lnară de frecvenţă. Conclze. Corespnzător caracterstclor defnte până acm, n amplfcator poate dstorsona semnall de la ntrare prn doă mecansme:. prn nelnartate, când semnall de ntrare este ma mare decât lmtele corespnzătoare domenl de lnartate;. prn fltrare, când banda de frecvenţă a semnall de ntrare este ma mare decât banda amplfcatorl. cestea se nmesc dstorsn de frecvenţă. 5

6 7.3. Clasfcarea amplfcatoarelor a) Dpă banda de frecvenţă transmsă: amplfcatoare de crent contn, care transmt banda de frecvenţă cprnsă între zero ş o frecvenţă oarecare f; amplfcatoare de bandă largă, care transmt o bandă de frecvenţă (f j.f s ) f s 5 în care raportl ; s-a notat f j frecvenţa lmtă de jos ş f s f frecvenţa lmtă de ss. j f s amplfcatoare selectve, care a raportl..., f j, dec transmt o bandă îngstă în jrl ne frecvenţe fxe. b) Dpă ampltdnea semnall amplfcat: amplfcatoare de semnal mc (amplfcatoare de tensne), la care varaţle de tensne ş crent corespnzătoare semnall de la ntrare, snt mc în raport c valorle tensnlor ş crenţlor dn pnctl statc de fncţonare; amplfcatoare de semnal mare la care varaţle semnall de ntrare snt relatv mar în raport c valorle dn pnctl statc de fncţonare, ar dspoztvl electronc lcrează la lmta de fncţonare lnară; se rmăreşte obţnerea ne pter mar la eşre, motv pentr care se nmesc ş amplfcatoare de ptere. c) Dpă valoarea frecvenţe med dn spectrl semnall amplfcat: amplfcatoare de frecvenţă joasă, atnc când frecvenţa mede este ma mcă de câţva zec de khz; amplfcatoare de frecvenţă mede, atnc când frecvenţa mede este de ste de khz până la câţva MHz; amplfcatoare de frecvenţă înaltă, c frecvenţa mede de zec de MHz. 6

7 7.4. nalza n crct de amplfcare de semnal mc la frecvenţe joase c ajtorl parametrlor brz Consderăm n crct de amplfcare, realzat c n tranzstor bpolar c joncţn, care are conectat la ntrare n generator de semnal s, s, ar la eşre are conectată o mpedanţă de sarcnă (fg. 7.4). Se foloseşte modell c parametr brz al tranzstorl bopolar c joncţn, stablt prn relaţle 3.8 ş 3.9. Reamntm semnfcaţle parametrlor brz: mpedanţa de ntrare, eşrea fnd în scrtcrct; 0 raportl dntre tensnea de ntrare ş tensnea de eşre 0 (coefcentl de transfer nvers), c ntrarea în gol; amplfcarea în crent (coefcentl de transfer al crentl) c 0 eşrea în scrtcrct; admtanţa de eşre, ntrarea fnd în gol. 0 s s ~ Fg

8 Se vor stabl pentr acest crct electronc expresle de calcl ale amplfcăr în crent tensne Y., mpedanţe de ntrare, mpedanţe de eşre Us 0, amplfcăr în, admtanţe de eşre Folosnd modell c parametr brz al tranzstorl, crctl dn fgra 7.4 poate f reprezentat ca în fgra 7.5. s s ~ + ~ Fg mplfcarea în crent + Rezltă că + ( + ) Impedanţa de ntrare + + 8

9 ( + ) + mplfcarea în tensne Impedanţa de eşre Us 0 nalzând crctl de ntrare dn fgra 7.5 (ţnând seama de sensl crentl, de polartatea srse de tensne ş de faptl că U s 0) se poate scre: ( + ) S 0 + S + s Folosm ecaţa c parametr brz s Us 0 + s + + s Y dmtanţa de eşre + s 9

10 Exempl Consderăm n tranzstor de tpl BC 7 la care s-a măsrat parametr brz (tabell 7.) pentr tensnea colector-emtor crentl de colector U CE 5V, I C m, frecvenţa f khz, temperatra t 5 0 C. Se asgră pentr tranzstor acelaş pnct statc de fncţonare în dferte conexn: BC, EC, CC. Generatorl de semnal are R s kω ş sarcna este R kω. Se calclează parametr crctl de amplfcare de semnal mc ş rezltatele snt prezentate în tabell 7.. (Tabell 7.) BC EC CC, Ω e, 7kΩ c, 7k b 4 b 0,69 0 0,995 0 b b 0,08 μ V e 8 μ V Ω 4 e,5 0 c e e c 8 μ V (Tabell 7.) BC EC CC 0, 995 -,3 3,3 R,3 Ω,637k Ω 48,7k Ω 6,7-56,8 0,995 R 6,75 M Ω 0k Ω 6,7Ω mplfcărle snt negatve la conexnea emtor comn (EC), dec ac se nversează faza semnall de la eşre faţă de semnall de la ntrare. Conexnea EC este conexne nversoare. mplfcărle snt poztve la conexnle bază-comnă (BC) ş colector comn (CC). Conexnle BC ş CC snt conexn nenversoare. Semnall de la eşre este aproape egal c semnall de la ntrare în conexnea CC. mplfcarea în tensne 0, 995, dec apropată ca valoare de. Conexnea CC se cnoaşte ş sb denmrea de repetor pe emtor. 0

11 7.5. mplfcatoare de bandă largă mplfcator c n etaj în conexne emtor comn (EC) Scema amplfcatorl ş formele semnalelor de ntrare ş de eşre se prezntă în fgra 7.6. C R S R C 3 U S Fg mplfcarea în tensne are valor de ordnl zeclor până la ordnl stelor. Polarzarea ş stablzarea pnctl statc de fncţonare al TBJ se realzează c ajtorl n crct de polarzare c rezstenţă în emtor (R 4 ) ş dvzor de tensne în bază (R, R ). Condensatoarele C ş C a roll de a separa componenta contnă de componenta alternatvă (blocează trecerea componente contne).

12 In regml dnamc, c semnal snsodal aplcat la ntrare, emtorl tranzstorl este legat la masă, deoarece condensatorl C 3 se scrtcrctează la frecvenţe rdcate (condensator de decplare a emtorl). Semnall snsodal de la ntrare ş cel de la eşre snt defazate c 80 deoarece etajl de amplfcare în conexnea emtor comn este defazor mplfcator c n etaj în conexne bază comnă (BC) Scema amplfcatorl se prezntă în fgra 7.7. R S R U S Fg Rezstoarele R ş R formează n dvzor de tensne pentr polarzarea baze tranzstorl. Condensatorl C se prespne scrtcrctat în toată banda de lcr, ar generatorl de semnal U S asgră încderea că de crent contn (de exempl are eşrea prn transformator) mplfcator c n etaj în conexne colector comn (CC) Scema amplfcatorl se prezntă în fgra 7.8.

13 C R S U S R Fg Polarzarea baze tranzstorl este asgrată de rezstoarele R ş R.Condensatoarele C ş C blocează trecerea componente contne. Semnall de eşre se clege dn emtorl tranzstorl. 3