S.D.Anghel - Bazele elecronicii analogice şi digiale 4 AMPLIFICAREA Una dinre funcţiile cele mai imporane ale ranzisorului ese cea de amplificare. Dispoziivul capabil să amplifice ensiunea, curenul sau puerea ese un amplificaor. El conţine cel puţin un elemen aciv de circui care realizează funcţia de amplificare. Tranzisorul poae fi folosi aâ penru amplificarea curenului coninuu câ şi penru amplificarea semnalelor variabile în imp. 4.1 Amplificarea curenului coninuu După cum am arăa în capiolul referior la srucura şi caracerisicile ranzisorului bipolar, înre curenul saic de colecor şi cel de bază exisă relaţia: IC βi B. Deoarece penru majoriaea ranzisorilor că β ese de ordinul 10 2, rezulă o amplificare considerabilă a curenului care raversează srucura de ranzisor înre emior şi colecor. Aâ în curen alernaiv câ şi în curen coninuu, penru obţinerea unei amplificări câ mai mari se conecează în cascadă două sau mai mule eaje de amplificare. În curen alernaiv cuplajul dinre eaje ese de cele mai mule ori capaciiv sau induciv iar în curen coninuu cuplajul ese direc. În curen coninuu, penru obţinerea unui facor de amplificare mai mare se folosesc cu succes ranzisorii compuşi. Pe lângă facorul de amplificare ridica, ranzisorii compuşi au şi o rezisenţă de inrare mai mare decâ un singur ranzisor. Cele mai uilizae combinaţii de ranzisori penru obţinerea unui facor de amplificare mare în curen coninuu sun combinaţia Darlingon şi combinaţia super-g. Tranzisorul compus Darlingon ese prezena în fig.4.1. IC1 I C C I C I B = IB1 T 1 I c2 B I B T ech npn I E1 = IB2 T 2 I E = IE2 E I E Fig.4.1 65
4 Amplificarea El ese alcăui din doi ranzisori de ip npn, facorul de amplificare al ranzisorului compus fiind: IC β ech = (4.1) I B Pe baza schemei de conexiune a celor doi ranzisori se po scrie urmăoarele relaţii înre curenţi: I B = I B1 (4.2) I = I + I (4.3) I I C C1 C2 = β I (4.4) C1 1 B1 ( I + I ) = β ( I β I ) = β I = β I = β + (4.5) C 2 2 B2 2 E1 2 B1 C1 2 B1 1 B1 Înlocuind relaţiile (4.2) (4.5) în relaţia (4.1) se obţine expresia facorului de amplificare în curen coninuu al ranzisorului compus Darlingon: β ech = β + (4.6) 1 + β 2 β1β 2 care ese cel puţin egal cu produsul facorilor de amplificare în curen coninuu ai celor doi ranzisori componenţi. Tranzisorul compus se comporă în circui ca un ranzisor de ip npn cu facorul de amplificare în curen coninuu egal cu β ech. Tranzisorul compus super G ese o combinaţie de doi ranzisori complemenari, pnp şi npn, conecaţi ca în fig.4.2. Aceasă combinaţie se comporă ca un ranzisor npn cu facorul de amplificare saic având expresia (4.1). I E2 = IC C I C1 = IB2 I C I B= IB1 T 1 I E1 T 2 I C2 B I B T ech npn I E I E E Fig.4.2 66
S.D.Anghel - Bazele elecronicii analogice şi digiale Procedând în mod asemănăor cazului preceden se obţin relalţiile: I I = I + I = I 1+ ) (4.7) I C = E2 B2 C2 C1 ( β 2 = β I (4.8) C1 1 B1 I B = I B1 (4.9) Înlocuind relaţiile (4.7) (4.9) în relaţia (4.1) obţinem expresia facorului de amplificare în curen coninuu al ranzisorului compus super G: β ech = β + (4.10) 1 β1β 2 4.2 Amplificarea semnalelor variabile Amplificarea unui semnal variabil înseamnă şi o creşere a energiei pe acesa ransporă. Aceasă creşere ese realizaă pe seama consumului de energie de curen coninuu furnizaă de sursa de alimenare a circuiului de amplificare. Sau, alfel spus, elemenul aciv convereşe energia de curen coninuu în energie de curen alernaiv. 4.2.1 Clasa de funcţionare Una dinre cele mai folosie conexiuni penru amplificarea semnalelor variabile (în paricular a celor armonice) ese conexiunea emior comun. Vom vedea ceva mai ârziu că prin complearea cu câeva elemene de circui a schemei de polarizare în curen coninuu prezenaă în fig.3.9 se obţine o schemă de amplificare semnalelor variabile în imp. Semnalul pe care dorim să-l amplificăm se aplică înre baza ranzisorului şi borna de masă. În funcţie de relaţia dinre ampliudinea semnalului variabil şi poziţia puncului saic de funcţionare al ranzisorului po exisa mai mule clase de funcţionare a amplificaoarelor de semnale variabile. Penru a le explica, ne vom folosi de caracerisica de ransfer în ensiune prezenaă în fig.3.8. Caracerisica de ransfer a fos liniarizaă pe cele rei porţiuni penru a înţelege mai uşor influenţa poziţiei puncului saic de funcţionare asupra formei semnalului de ieşire. Presupunem că pe baza ranzisorului aplicăm unui semnal sinusoidal mic, u be. O variaţie u be a acesuia va deermina o variaţie u ce, a ensiunii dinre colecor şi emior care se va suprapune pese ensiunea de polarizare saică (coninuă). Modul în care variază aceasa depinde de poziţia puncului saic de funcţionare, M, pe caracerisica de ransfer. În fig.4.3 sun prezenae cele paru siuaţii posibile pe baza cărora se definesc clasele de funcţionare. 67
4 Amplificarea U CE U CE E C M u ce E C blocare, I = 0 C M u ce U CEsa U BE a U CEsa U BE b clasa A τ c = T u be clasa AB T/2 T τ c u be E C U CE blocare, I = 0 C M u ce E C U CE blocare, I C = 0 M u ce U CEsa U BE c U CEsa U BE d clasa B τ c = T/2 u be clasa C τc T/2 u be 68 Fig.4.3 Clasa de funcţionare se defineşe în funcţie de inervalul de imp, τ c, dinr-o perioadă T a semnalului care ese amplifica în care elemenul aciv (ranzisorul) se află în sare de conducţie. Asfel, se definesc paru clase de funcţionare: clasa A, τ c = T, ranzisorul se află o impul în sare de conducţie în zona acivă (fig.4.3a). clasa AB, T/2 < τ c < T, un inerval mai mic decâ o jumăae de perioadă ranzisorul ese bloca şi I C = 0. Semnalul de ieşire nu va mai fi sinusoidal (fig.4.3b). clasa B, τ c =T/2, o jumăae de perioadă ranzisorul lucrează în zona acivă şi o jumăae de perioadă ese bloca. Semnalul de ieşire araă ca un semnal redresa monoalernanţă dar ese amplifica (fig.4.3c). clasa C, τ c < T/2, ranzisorul lucrează în zona acivă mai puţin decâ o jumăae de perioadă a semnalului aplica la inrare. La
S.D.Anghel - Bazele elecronicii analogice şi digiale ieşire el are aspecul unor vârfuri de sinusoidă (fig.4.3d). Aceasă clasă de funcţionare ese folosiă în amplificaoarele de puere care au ca sarcină un circui rezonan LC sau la oscilaoarele de radiofrecvenţă. În fig.4.3 am păsra aceeaşi ampliudine a semnalului de inrare penru a exemplifica oae clasele de funcţionare. Din analiza formelor de undă ale semnalelor de ieşire se poae observa că doar în clasă A forma semnalului de ieşire ese aceeaşi cu cea a semnalului de inrare. În celelale clase de funcţionare, în inervalul de imp în care ranzisorul ese bloca curenul de colecor ese nul şi ensiunea de ieşire ese limiaă la valoarea E c. Ce se înâmplă însă dacă amplificaorul funcţionează în clasă A dar mărim ampliudinea semnalului de inrare? Răspunsul îl găsim în reprezenarea grafică din fig.4.4. U CE E C M u ce U CEsa U BE Fig.4.4 Penru ampliudini mari ale semnalului de inrare ranzisorul poae ieşi din zona acivă de funcţionare. În alernanţa poziivă el rece în regim de sauraţie iar în alernanţa negaivă în regim de blocare, asfel încâ semnalul de ieşire ese unul cu aspec de sinosoidă cu vârfurile reezae. În general, deformarea semnalului de ieşire depinde aâ de ampliudinea semnalului de inrare câ şi de poziţia puncului saic de funcţionare pe caracerisica de ransfer. Ea se daorează neliniariăţii caracerisicii de ransfer. Doar penru nivele mici ale semnalului de inrare înre ampliudinea semnalului de ieşire şi ampliudinea semnalului de inrare se poae sabilii o relaţie liniară, de direcă proporţionaliae. De aceea modelul liniar cu parameri hibrizi (vezi capiolul preceden) ese un model de semnal mic. u be 69
4 Amplificarea 4.2.2 Paramerii amplificaoarelor Cei mai imporanţi paramerii caracerisici ai amplificaoarelor sun: facorul de amplificare, banda de recere (sau de frecvenţe) şi gama dinamică. Facorul de amplificare se defineşe ca şi în cazul unui cuadrupol (vezi Cap.1) asfel încâ nu vom mai reveni asupra definiţiei lui. Nu exisă nici un amplificaor care să amplifice în egală măsură semnalele elecrice pe înreg domeniul lor frecvenţă: audiofrecvenţă, radiofrecvenţă, foare înală frecvenţă şi ulraînală frecvenţă. Orice amplificaor are o caracerisică de frecvenţă care poae fi reprezenaă grafic ca dependenţă a facorului de amplificare de frecvenţa semnalului amplifica. Penru majoriaea amplificaoarelor, înr-o reprezenare caliaivă, caracerisica de frecvenţă are aspecul grafic prezena în fig.4.5. Se poae observa exisenţa unui domeniu de frecvenţe în care amplificarea ese maximă şi aproape consană (A uo ), în imp ce la frecvenţe mici şi mari amplificarea semnalelor scade. A u A uo A uo 2 f 1 f 2 f Fig.4.5 Se defineşe banda de recere (sau banda de frecvenţe) a unui amplificaor, ca fiind diferenţa dinre frecvenţele la care facorul de amplificare scade la 1 / 2 (-3dB) din valoarea sa maximă. Conform figurii 4.5: B 3dB = f 2 - f 1 (4.11) La frecvenţe înale banda de recere ese limiaă de capaciăţile inerne ale elemenului aciv dar şi de capaciăţile parazie al monajului propriu-zis (de regulă efecul lor cumula ese de ordinul zecilor de pf). Ele au un efec de şunare a inrării şi ieşirii amplificaorului la frecvenţe înale. La frecvenţe joase ea ese limiaă de capaciăţile condensaoarelor de separare a semnalului variabil de cel coninuu care mănâncă o pare din 70
S.D.Anghel - Bazele elecronicii analogice şi digiale semnalul uil. Noţiunile de frecvenţe înale sau joase au un caracer relaiv. Ele se raporează la domeniul de frecvenţe în care amplificarea ese maximă. Caracerisica amplificare-frecvenţă poae fi reprezenaă şi sub A formă normalizaă: u Au = ( f ). O asfel de reprezenare poară Auo Auo denumirea de diagramă Bode. Înre semnalul de ieşire şi cel de inrare poae să apară un defazaj daora efecului elemenelor reacive din circuiul de amplificare. Aces defazaj (ϕ ) depinde de frecvenţa semnalului de inrare şi al poae fi reprezena grafic sub forma ϕ = ϕ( f ) sau sub forma unei diagrame Bode, ϕ ϕ = ( f ), unde ϕ o ese defazajul dinre semnalul de ieşire şi cel de ϕ o ϕ o inrare la mijlocul benzii de frecvenţe. Mărimea facorului de amplificare depinde însă şi de mărimea (ampliudinea) semnalului de inrare. La prima vedere am fi enaţi să credem că un amplificaor cu A u = 100 la frecvenţa de 1kHz, va avea la ieşire un semnal de 100µV dacă semnalul de inrare are 1µV, 100mV dacă semnalul de inrare ese de 1mV şi 100V dacă semnalul de inrare ese 1V. Pracic vom consaa că numai cea de a doua afirmaţie ese adevăraă. Penru nivele mici şi mari ale semnalului de inrare facorul de amplificare va fi mai mic de 100 şi înre ensiunea de ieşire şi cea de inrare nu mai ese o relaţie de direcă proporţionaliae (fig.4.6). U ies U iesm U iesm U inm Fig.4.6 Explicaţia acesui fenomen ese simplă. Penru nivele foare mici ale semnalului de inrare, facorul de amplificare scade daoriă influenţei zgomoelor din circui care devin comparabile ca nivel cu nivelul semnalului de inrare. La un momen da ese posibil ca semnalul uil să fie chiar îneca în zgomo. Penru nivele mari ale semnalului de inrare, facorul de amplificare scade daoriă neliniariăţii caracerisicii de ransfer a U inm U in 71
4 Amplificarea elemenului aciv. El poae fi limia aâ superior câ şi inferior daoriă inrării elemenului aciv în sare de blocare sau de sauraţie (vezi şi fig.4.4). Asfel, forma de undă a semnalului de ieşire apare deformaă faţă de forma de undă a semnalului de inrare. Ese imposibil ca ampliudinea semnalului de ieşire să fie mai mare decâ ensiunea de alimenare a amplificaorului, indiferen câ de mare ese ampliudinea semnalului de inrare. Pornind de la cele arăae mai sus, pe baza reprezenării grafice din fig.4.6 se defineşe gama dinamică a unui amplificaor, exprimaă în decibeli: D db U iesm U inm = 20 log = 20log (4.12) U U iesm inm unde valorile minime şi maxime ale ensiunilor de ieşire şi inrare delimiează porţiunea liniară a reprezenării grafice. În ineriorul gamei dinamice, înre ensiunea de ieşire şi cea de inrare ese o relaţie de direcă proporţionaliae şi forma de undă a semnalului de ieşire ese similară formei de undă a semnalului de inrare. Alfel spus, în ineriorul gamei dinamice, dacă semnalul de inrare ese pur sinusoidal şi semnalul de ieşire va fi pur sinusoidal. 4.2.3 Amplificaorul conexiune emior comun +E C R 1` R c C C R s C B R sarc u ies R 2 R E C E u s Fig.4.7 Un amplificaor cu ranzisor bipolar conexiune emior comun se consruieşe foare uşor pornind de la schema de polarizare în curen 72
S.D.Anghel - Bazele elecronicii analogice şi digiale coninuu cu divizor de ensiune în bază (fig.3.8). Valorile rezisenţelor de polarizare se calculează în funcţie de paramerii ranzisorului folosi şi de clasa de funcţionarea doriă. Dacă dorim amplificarea unor semnale mici sinusoidale, care la ieşire să fie o sinusoidale, puncul saic de funcţionare se va alege asfel încâ amplificaorul să lucreze în clasă A. Schema de polarizare în curen coninuu se compleează cu câţiva condensaori de cuplaj (fig.4.7). Din sar rebuie făcuă urmăoarea precizare: ranzisorul va fi supus simulan acţiunii a două semnale, semnalul coninuu (saic) care sabileşe puncul saic de funcţionare şi semnalul variabil în imp (dinamic) care va fi amplifica. De aceea se poae vorbi despre două regimuri de funcţionare, regimul saic, analiza în capiolul preceden şi regimul dinamic, de care ne vom ocupa în coninuare. Semnalul pe care dorim să-l amplificăm (furniza de sursa de ensiune u s cu rezisenţa inernă R s ) se aplică prin inermediul condensaorului C b pe baza ranzisorului. Condensaorul rebuie să lase semnalul să reacă pracic neaenua spre ranzisor şi, în acelaşi imp, să blocheze curenul coninuu de polarizare saică care curge prin R 1, asfel încâ el să nu se îndrepe şi spre sursa de semnal. Capaciaea sa se alege asfel încâ, la frecvenţa semnalului amplifica, el să prezine o reacanţă neglijabilă faţă de celelale elemene din schemă şi pracic să poaă fi considera un scurcircui la aceasă frecvenţă. Semnalul de ieşire ese lua de pe colecorul ranzisorului (borna caldă) prin inermediul condensaorului C c care rebuie să permiă semnalului amplifica să reacă nesingheri spre sarcina amplificaorului (aici R sarc ) şi să nu permiă componenei coninue a curenului de colecor să 1 reacă prin aceasa. Valoarea sa se alege asfel încâ << Rsarc. Dacă un ωc c curen coninuu ar rece prin rezisenţa de sarcină, acesa ar ranslaa ensiunea de ieşire înspre valori poziive cu o ensiune egală cu căderea de ensiune coninuă pe rezisenţa de sarcină, deerminând şi un consum suplimenar de energie de la sursa de alimenare. Am văzu că rezisenţa din emiorul ranzisorului, R E are în primul rând rolul de sabilizare a puncului saic de funcţionare la variaţiile de emperaură. Deci prezenţa ei ese aproape obligaorie. Pe de ală pare, dacă componena variabilă a curenului care rece prin ranzisor rece şi prin R E, aunci o pare din energia aceseia se consumă pe aceasă rezisenţă şi nivelul semnalului de ieşire va fi mai mic. Penru a evia aces neajuns, în paralel cu R E se conecează un condensaor de decuplare, C E, cu o asfel de 1 capaciae încâ << RE. Dacă aceasă condiţie ese saisfăcuă, ωc E 73
4 Amplificarea condensaorul C E va reprezena un scurcircui spre borna de masă penru componena variabilă a curenului de emior. Asfel, din punc de vedere al semnalului variabil în imp, emiorul ranzisorului are poenţialul masei. De aceea se mai spune despre aces ip de amplificaor ca lucrează cu emiorul la masă. Ese eviden că penru componena coninuă a curenului de emior, condensaorul C E va fi echivalen cu o înrerupere, asfel încâ aceasa va rece spre borna de masă doar prin R E. Având în vedere acese precizări, ese clar că amplificaorul se comporă în mod diferi faţă de cele două ipuri de semnale: semnalul coninuu, saic şi semnalul variabil în imp, care rebuie amplifica. În regim saic, de curen coninuu, oţi condensaorii po fi înlocuiţi cu câe o înrerupere a ramurii în care se află (ω = 0, 1/ωC ), asfel încâ schema amplificaorului se reduce la cea din fig.4.8a. Ea nu ese alceva decâ schema de polarizare în curen coninuu a ranzisorului bipolar cu care se sabileşe poziţia puncului saic de funcţionare, M (fig.4.8b). El se află la inersecţia dinre dreapa de sarcină în regim saic şi caracerisica volamperică de ieşire, corespunzăoare curenului de bază I Bo. +E C R 1` I Bo R c I Co UCEo E c R+R c E I Co I C dreapa de sarcina in regim saic M punc saic de funcionare I Bo U Bo gα s = 1/(R C + R E ) R 2 R E o U CEo α s E c U CE Fig.4.8 În regim dinamic, la frecvenţa penru care amplificaorul a fos proieca să aibă o amplificare maximă, fiecare condensaor poae fi înlocui cu un scurcircui. De asemenea, deoarece E c = cons., E c = 0 şi, în regim de variaţii, sursa de alimenare în curen coninuu poae fi înlocuiă cu un scurcircui. Asfel, schema echivalenă în regim dinamic a amplificaorului va fi cea din fig.4.9a. Penru simpliae, am considera că rezisenţa de 74 a b
S.D.Anghel - Bazele elecronicii analogice şi digiale sarcină ese mul mai mare decâ R c. Dacă aceasă aproximaţie nu poae fi făcuă, în schema din fig.4.9a, în locul lui R c va apare rezisenţa echivalenă a aceseia conecaă în paralel cu R sarc. u s i b u ce R R c u ies = u ce = -Rc i c s u be R 1 R 2 i c I + Co U CEo R c I Co I C dreapa de sarcina in regim saic M dreapa de sarcina in regim dinamic I Bo g α = 1/R d c Fig.4.9 Se vede că înre variaţia curenului de colecor şi variaţia ensiunii uce dinre colecor şi emior se poae sabili dependenţa ic=, care Rc 1 reprezină o dreapă cu pana gα d =. Aceasa ese dreapa de sarcină Rc în regim dinamic şi ea rece prin puncul saic de funcţionare, M (fig.4.9b). În regim dinamic, puncul de funcţionare al ranzisorului se va plimba pe aceasă dreapă de sarcină, de o pare şi de ala a puncului saic de funcţionare. Puncele de inersecţie cu cele două axe de coordonae se po deermina foare simplu din cele două riunghiuri haşurae, cunoscând câe o caeă şi unghiul α d. Mecanismul prin care elemenului aciv (ranzisorul) amplifică semnalul se poae înţelege pe baza analizei grafice din fig.4.10. Admiem că puncul saic de funcţionare a fos sabili în M şi că pe baza ranzisorului aplicăm un semnal mic, sinusoidal, pe care l-am noa cu u be. O variaţie u be a ensiunii dinre baza şi colecorul ranzisorului va deermina o variaţie i b a curenului de bază, care, conform relaţiilor de definire a paramerilor hibrizi va fi: ube i = (4.13) b h 11 Variaţia curenului de bază va fi amplificaă, deerminând o variaţie a curenului de colecor care, şiind că admianţa de ieşire ese foare mică ( h 5 Ω 1) 22 10 a, poae fi aproximaă cu: o U CEo b α d U +I R CEo Co c U CE 75
4 Amplificarea ube ic h 21 (4.14) h 11 Aceasă variaţie a curenului de colecor va deermina plimbarea puncului saic de funcţionare pe dreapa de sarcină în regim dinamic, înre puncele P şi Q cu o frecvenţă egală cu frecvenţa semnalului de inrare. i b u ce U CEo I Co+ R c I C P I Co M i c Q I B I Bo u be α d U CEo U +I R CEo Co c U CE U BEo dreapa de sarcina in regim dinamic Fig.4.10 După cum se poae observa aâ din aceasă analiză grafică câ şi din comporarea amplificaorului în regim dinamic (fig.4.9), ensiunea dinre colecor şi emior (care ese şi ensiune de ieşire) ese în anifază cu ensiunea de inrare în ranzisor, u be. Asfel, variaţia ensiunii de ieşire poae fi exprimaă cu relaţia: u ies R c h h 21 11 u be (4.15) Din relaţia precedenă se poae exprima amplificarea daoraă ranzisorului; A ut h21 Rc (4.16) h 11 U BE 76
S.D.Anghel - Bazele elecronicii analogice şi digiale O analiză mai dealiaă a funcţionării amplificaorului se poae face consruind schema echivalenă la variaţii a amplificaorului. Penru aceasa facem urmăoarele precizări: ranzisorul se înlocuieşe cu schema sa echivalenă cu paramerii hibrizi din fig.3.15 în care se poae neglija efecul sursei h 12 u ce penru că ensiunea furnizaă de ea ese foare mică din punc de vedere al variaţiilor borna de alimenare cu ensiune coninuă ese conecaă la masă în domeniul de frecvenţe în care amplificarea ese maximă se po neglija efecele uuror capaciăţilor Se obţine asfel schema echivalenă din fig.4.11. i b i c R s R 1 R 2 u s h i h 11 21 b -1 h 22 R c R sarc u ies Fig.4.11 Scopul nosru ese să găsim o expresie uilă penru facorul de amplificare, expresie pe baza căreia să puem proieca un amplificaor real. Având în vedere valorile rezisenţelor R 1 şi R 2 (le-am văzu la polarizarea în curen coninuu) şi a impedanţei de inrare h 11 a ranzisorului se poae R1R 2 aprecia că >>h 11. Asfel, variaţia curenului de bază va fi: R + R 1 s h 11 2 u ib = (4.17) R + s Mergând acum în circuiul de ieşire vom observa că prin rezisenţa 1 echivalenă paralel R c h 22 R sarc circulă de la borna de masă spre borna caldă curenul h 21 i b, asfel că ensiunea de ieşire va fi: 1 22 u ies = -h 21 i b (R c h R sarc ) (4.18) Din relaţiile (4.17) şi (4.18) rezulă expresia facorului de amplificare la mijlocul benzii de frecvenţe: 77
4 Amplificarea A 78 uo uies h21-1 = = (R c h22 Rsarc ) (4.19) u h + R s 11 s Dacă sursa de semnal ese o sursă de ensiune cu rezisenţa de ieşire foare mică, aunci R s << h 11. De asemenea, dacă rezisenţa din colecor ese mul mai mică decâ rezisenţa de sarcină şi impedanţa de ieşire a 1 ranzisorului (R c << R sarc, h 22 ), aunci expresia facorului de amplificare poae fi calculaă cu o bună aproximaţie cu relaţia: A u o h21 Rc (4.20) h 11 Sun imporane două concluzii: facorul de amplificare în ensiune ese deermina în primul rând de paramerii de semnal mic ai ranzisorului şi de rezisenţa din colecor semnul - din expresia facorului de amplificare semnifică defazajul cu 180 o al semnalului de ieşire în urma semnalului aplica la inrarea amplificaorului Ese ineresan de consaa ce se înâmplă dacă din schema amplificaorului se elimină condensaorul C E, adică dacă emiorul nu mai ese coneca la masă din punc de vedere al variaţiilor. Ne puem da seama de consecinţele acesei manevre judecând lucrurile caliaiv. În aceasă siuaţie, curenul variabil de emior va fi obliga să se scurgă la masă prin rezisenţa R E. Asfel, o pare din energia semnalului de ieşire se va disipa pe aceasă rezisenţă şi semnalul de ieşire va fi mai mic decâ în prezenţa condensaorului C E. Asa însemnă că facorul de amplificare va fi mai mic. Ne puem coninua filozofia spunând şi aşa: rezisenţa R E se află aâ în circuiul de inrare, câ şi în circuiul de ieşire (emior comun). Ţinând seama de sensurile ensiunilor la un momen da, vom observa că ensiunea sursei de semnal şi ensiunea pe R E sun în anifază. Asa însemnă că ensiunea de inrare pe ranzisor se va micşora, deci şi ensiunea de ieşire va fi mai mică. Se vede deci că o pare din semnalul de la ieşire ese readus la inrare, în anifază cu semnalul sursei. Aces proces poară denumirea de reacţie negaivă şi unul dinre efecele ei asupra amplificaorului ese micşorarea facorului de amplificare al acesuia. Acese raţionamene logice bazae pe fenomenele care au loc în circuiul de amplificare po fi demonsrae riguros pe baza schemei
S.D.Anghel - Bazele elecronicii analogice şi digiale echivalene din fig. 4.12. La desenarea ei am aplica ipoezele simplificaoare prezenae anerior. i b i c h 11 u s h i 21 b -1 h 22 R c u ies R E Fig.4.12 Penru deducerea mai uşoară a expresiei facorului de amplificare aceasă schemă se poae modifica prin ransformarea sursei de curen înr-o sursă echivalenă de ensiune, rezulând schema din fig.4.13. ι c h i 21 b -1 h 22 R c h 22 u ies ι b h 11 ι u s R E Fig.4.13 La curenul prin rezisenţa R E conribuie aâ curenul de bază câ şi cel de colecor dar, având în vedere facorul de amplificare mare al ranzisorului, în primă aproximaţie conribuţia curenului de bază poae fi neglijaă. Cu acese precizări, după rezolvarea sisemului de ecuaţii: u = h11 i + R i (4.21) s b E c 79
4 Amplificarea h21 1 ib = ( h22 + Rc + RE ) ic (4.22) h 22 u = R i (4.23) A ies u RN c s c uies = (4.24) u rezulă urmăoarea expresie penru facorul de amplificare: A u RN h21 Rc h11 = (4.25) h21 1+ R ( E + h22 RC + RE ) h 11 În relaţia scrisă sub aceasă formă se vede imedia ca la numărăorul ei apare facorul de amplificare fără reacţie negaivă iar numiorul ese suprauniar, deci A urn < A uo. 4.2.4 Amplificaorul repeor pe emior (conexiune colecor comun) Faţă de sarcina pe care debiează energie, amplificaorul reprezină o sursă de ensiune. Penru ca ea să fie câ mai apropiaă de o sursă ideală ese necesar ca rezisenţa sa de ieşire să fie câ mai mică posibil. Un amplificaor cu aceasă caliae ese repeorul pe emior a cărui schemă ese prezenaă în fig.4.14. +E C R 1` R s C B C E u s R 2 R E R sarc u ies Fig.4.14 80
S.D.Anghel - Bazele elecronicii analogice şi digiale Folosind aceleaşi aproximări ca şi în cazurile precedene, schema echivalenă a amplificaorului repeor pe emior ese cea din fig.4.15. i b i c R s h 11 21 b u s h i -1 h 22 R E R sarc u ies Fig.4.15 Ea poae fi redesenaă înr-o formă mai compacă ca în fig.4.16, unde rezisenţele sun grupae serie sau paralel, cu noaţiile precizae. Şiind că i b << h 21 i b, pe baza schemei po fi scrise urmăoarele ecuaţii: ' us = h11 ib + Rechh21 ib (4.26) u = R h21 i (4.27) A u ies ech s b uies = (4.28) u, =R s + h 11 h i u u ies s h 11 i b 21 b i b h21 ib R ech =R E Fig.4.16 Din ele rezulă expresia finală a facorul de amplificare: R sarc -1 h 22 81
4 Amplificarea A 82 u 1 = (4.29) ' h11 1 1+ h R 21 ech La o primă observare se vede imedia că facorul de amplificare ese subuniar. Dar câ de subuniar? Ne puem da seama de aces lucru dacă luăm nişe valori uzuale penru mărimile care apar în relaţia (4.29). ' Asfel, dacă: h11 = 2kΩ, h 21 = 100 şi R = 500Ω, aunci ' 11 1 2 4 10 21 R E ech R E h şi facorul de amplificare ese aproape uniar: A u 1. h Deci, se poae afirma că semnalul de ieşire reproduce în formă, ampliudine şi fază semnalul de inrare, amplificaorul comporându-se la ieşirea sa ca o sursă de ensiune aproape ideală. 4.2.5 Amplificaoare de puere Amplificarea puerii unui semnal ese limiaă de puerea maximă pe care o poae disipa elemenul aciv din amplificaor, în cazul de faţă ranzisorul bipolar, penru că de aceasa depinde puerea pe care el o poae pompa în circui. Puerea disipaă maximă depinde de ehnologia de fabricaţie a ranzisorului. Penru a amplifica semnalele până la pueri mai mari s-au consrui amplificaoare cu două ranzisoare care funcţionează pe rând, acţionând asupra aceluiaşi semnal. Unul pompează energie în circui o jumăae de perioadă, celălal în jumăaea urmăoare. De aceea, asfel de circuie se numesc amplificaoare în conraimp. Una dinre schemele folosie ca amplificaor în conraimp ese prezenaă în fig.4.17a. Ea ese realizaă cu doi ranzisori npn (po fi şi pnp) idenici cu emiorii conecaţi la masă şi cu bazele nepolarizae în curen coninuu. Deci, în regim saic sarea lor ese cea de blocare. Semnalul care va fi amplifica ese aplica pe bazele ranzisorilor prin inermediul unui ransformaor cu priză mediană în secundar, asfel încâ fiecare ranzisor va fi deschis chiar de căre semnal câe o jumăae de perioadă. Fiecare ranzisor va lucra deci ca un amplificaor în clasă B. Daoriă neliniariăţii caracerisicii de ransfer a ranzisorilor, când se inră pe porţiunile neliniare are loc o deformare a semnalului (abaere de la forma de undă de la inrare) care va deermina apariţia disorsiunilor de racordare (cross-over). Blocarea unui ranzisor şi inrarea în sarea de conducţie a celuilal nu au loc simulan iar semnalul de ieşire va avea aspecul celui din fig.4.17b.
S.D.Anghel - Bazele elecronicii analogice şi digiale uin u conduce T 1 +E C u ies T 1 in ies T 2 Tr1 Tr 2 u conduce T 2 a b Fig.4.17 Disorsiunile de racordare po fi diminuae foare mul dacă bazele celor doi ranzisori sun prepolarizae direc cu o ensiune de 0,1 0,2V (mai mică decâ ensiunea de deschidere a joncţiunii bază-emior). Sarcina amplificaorului poae fi conecaă prin inermediul unui ransformaor (Tr2) care poae juca şi rolul de ransformaor de adapare. Din fig.4.17a se vede că rolul ransformaorului de inrare (Tr1) ese disribuirea fazei semnalului de inrare căre bazele celor doi ranzisori din amplificaor. Disribuţia de fază se poae realiza însă şi elecronic cu o schemă ca cea din fig.4.18. R 1` (22k Ω) R c (560 Ω) +E C (9V) C 1 u 1 u in C B spre baza lui T 1 C 2 spre baza lui T 2 u 2 R 2 (10k Ω) R E (560 Ω) Fig.4.18 83
4 Amplificarea În funcţie de locul de unde ese coleca semnalul de ieşire, amplificaorul din fig.4.18 lucrează în conexiune emior comun cu amplificare uniară sau ca repeor pe emior, după cum urmează: dacă semnalul de ieşire ese coleca din colecorul ranzisorului, amplificaorul lucrează în conexiune emior comun cu reacţie negaivă puernică (lipseşe C E ) şi cu amplificare uniară (R c = R E, A u =1). dacă semnalul de ieşire ese coleca din emiorul ranzisorului, amplificaorul lucrează în conexiune repeor pe emior Asfel cele două semnale de ieşire vor avea ampliudinile egale înre ele şi egale cu ampliudinea semnalului de inrare şi vor fi în anifază. Aplicae pe bazele ranzisorilor T 1 şi T 2 din fig..17, ele vor deermină inrarea lor pe rând în sare de conducţie. +E C u in u ies R sarc -E C Fig.4.19 O schemă foare simplă de amplificaor în conraimp ese prezenaă în fig.4.19. Ea are doi ranzisori complemenari şi de aceea nu mai ese nevoie de disribuiorul de fază. Penru ca disorsiunile să fie câ mai mici rebuie ca ranzisorii complemenari să fie foare bine împerecheaţi. Ieşirea fiind conecaă la emiorii comuni ai ranzisorilor, ei lucrează ca repeori pe emior. 84