Electronică Analogică 5. Amplificatoare
5.1. Introducere Prin amplificare înţelegem procesul de mărire a valorilor instantanee ale unei puteri sau ale altei mărimi, fără a modifica modul de variaţie a mărimii în timp şi folosind energia unor surse de alimentare. După specificul proprietăţilor dispozitivelor utilizate în procesul de amplificare se poate vorbi de amplificare magnetică, amplificare electromagnetică si amplificare electronică. Amplificarea electrică se bazează pe proprietăţi electrice de material, de exemplu amplificarea în tensiune, obţinută într-un circuit serie alimentat în curent alternativ, format dintr-o impedanţă şi o diodă cu capacitate variabilă comandată cu o tensiune continuă. Prin variaţia capacităţii diodei, poate să rezulte o variaţie mare de tensiune la bornele impedanţei (în special în preajma frecvenţei de rezonanţă). Amplificarea magnetică se realizează utilizând în circuite de curent alternativ bobine cu miez şi cu înfăşurări de comandă în curent continuu. Prin variaţia curentului în înfăşurările de comandă se modifică permeabilitatea magnetică incrementală (dinamică) şi valoarea inductanţei bobinei. Astfel se pot obţine variaţii mari de tensiune pe o impedanţă conectată în serie. Amplificarea electromagnetică se bazează pe fenomene electromagnetice, de exemplu ca în cazul amplificării de curent, de tensiune sau de putere cu generatoare electrice rotative la variaţia curentului, tensiunii sau puterii în circuitul de excitaţie; în acest caz intervine energia mecanică ca formă intermediară de energie la acţionarea cu motoare electrice sau direct, la acţionarea cu motoare termice.
Amplificarea electronică se obţine pe baza modificării intensităţii curentului şi/sau a tensiunii în circuitul de ieşire (comandat), prin variaţia tensiunii sau a curentului la electrozii de comandă în circuitul de intrare (de comandă), prin folosirea tranzistoarelor bipolare sau a celor cu efect de câmp. În circuitele de amplificare se realizează procesul de amplificare, adică se reproduce la ieşire sub formă amplificată puterea sau mărimea ce intră ca factor în expresia puterii instantanee, folosind energia surselor de alimentare (polarizare). Vom studia amplificatoarele realizate cu tranzistoare unipolare (TEC sau FET) şi tranzistoare bipolare. Aceste amplificatoare sunt încadrate în categoria amplificatoarelor electrice prin semi-conductibilitate. Tranzistoarele sunt considerate în circuitele electronice ca dispozitive active (surse active), în sensul că pot comanda puterea absorbită de la sursele de alimentare de către circuitul de ieşire, ca răspuns la acţiunea semnalului de intrare, asigurând sarcinii utile o putere mai mare ca aceea debitată de sursa de semnal de la intrare. În amplificatoarele reale semnalele sunt distorsionate, adică forma de undă a semnalului de la ieşire diferă de forma de undă a semnalului de la intrare. Performanţele unui amplificator sunt apreciate prin caracteristici şi parametri care se referă la:
distorsiunea formei de undă a semnalelor sau diferenţa dintre forma de undă a semnalului de ieşire faţă de forma de undă a semnalului de intrare, diferenţă care trebuie să fie cât mai mică astfel încât distorsiunile să fie minime. mărimea amplificării în putere, tensiune sau curent, a transadmitanţei (transconductanţei), a transimpedanţei (transrezistenţei ); stabilitatea funcţionării amplificatorului, prin care se înţelege imposibilitatea intrării în regim oscilant, regim anormal de funcţionare. În schemele amplificatoarelor sunt prevăzute de obicei circuite de reacţie, prin care o parte din semnalul de la ieşire se aplică la intrare. În anumite condiţii, fie datorită circuitelor de reacţie prevăzute voit, fie datorită unor cuplaje parazite, este posibil ca amplificatorul să auto-oscileze. Prin studii de stabilitate se apreciază limitările ce trebuie respectate pentru ca amplificatorul să fie stabil. zgomotele interne ale amplificatoarelor limitează posibilitatea amplificării semnalelor slabe, la intrare semnalul util trebuie sa fie mai mare ca cel de zgomot echivalent, impunându-se un anumit raport semnal/zgomot; structura internă a amplificatoarelor, numărul de etaje, natura circuitelor de cuplaj între etaje, natura dispozitivelor active si regimul de funcţionare al acestora.
5.2. Amplificatoare electronice Definim ca amplificator electronic un circuit electronic cu patru borne (cuadripol), două borne de intrare şi două borne de ieşire, caracterizat la intrare de perechea de mărimi u i, i i şi la ieşire prin perechea u o, i o (figura 5.1), şi care satisface următoarele condiţii: corespondenţa dintre tensiunea şi curentul de ieşire faţă de tensiunea şi curentul de intrare este de tip biunivoc, adică pentru un amplificator conectat într-un circuit ca cel din figura 5.1, stabilirea unor valori pentru mărimile de la intrarea sa determină univoc mărimile de la ieşire şi, reciproc, unei perechi (uo, io) îi corespunde o pereche (ui, ii). Mărimile de intrare şi ieşire sunt în general mărimi complexe iar corespondenţa univocă este descrisă de funcţii de transfer numite după caz: amplificare de tensiune, amplificare de curent şi amplificare de putere; dependenţa inversă între mărimile de la intrarea amplificatorului şi cele de la ieşirea acestuia trebuie să fie cât mai redusă, aproximativ nulă. Putem spune astfel că în majoritatea cazurilor tensiunea şi curentul de la intrarea unui amplificator nu depind de tensiunea şi curentul de la ieşirea sa; în raport cu mărimea care constituie semnalul util aplicat la intrare, circuitul realizează o amplificare, respectiv domeniul de variaţie a semnalului de ieşire este mai extins decât cel de la intrare.
Amplificatoarele electronice pot fi clasificate: după banda de frecvenţă amplificată: amplificatoare de curent continuu, care amplifică o bandă de frecvenţe cuprinsă între zero şi o frecvenţă oarecare f; amplificatoare de bandă largă, care amplifică o bandă de frecvenţe cuprinse între două frecvenţe (fj, fs). Raportul între frecvenţa cea mai înaltă a benzii amplificate (fs) şi frecvenţa cea mai joasă (fj) este cuprins între 10 şi 105; amplificatoare selective, care au raportul fj/fs = 1,..., 1,2. după mărimea semnalului de ieşire: amplificatoare de semnal mic (amplificatoare de tensiune), la care punctul de funcţionare nu este scos din limitele domeniului rectiliniu al caracteristicii amplificatorului. Acesta lucrează practic cu ieşirea în gol (pe o impedanţă cât mai mare); amplificatoare de semnal mare (amplificatoare de putere), la care punctul de funcţionare pătrunde în domeniul neliniar al caracteristicilor şi lucrează pe o sarcină bine definită.
Amplificarea, cea mai importantă mărime caracteristică a unui amplificator poate fi: amplificare în tensiune care reprezintă raportul dintre tensiunea la ieşire şi tensiunea la intrarea amplificatorului: În practică se foloseşte de obicei o mărime derivată, câştigul în tensiune: amplificare în curent care reprezintă raportul dintre curentul la ieşire şi curentul la intrarea amplificatorului: Iar câştigul în curent este:
amplificare în putere care reprezintă raportul dintre puterea la ieşirea şi puterea la intrarea lui: câştigul în putere, în db este: Amplificările sunt reprezentate prin numere complexe de forma: a = Ae jϕ ϕ reprezintă diferenţa de fază
5.3. Amplificatoare de curent continuu Amplificatoarele de curent continuu sunt circuite amplificatoare a căror frecvenţă limită inferioară de funcţionare este zero. Ele pot reda la ieşire nu numai variaţiile de semnal, ci şi componenta continuă a semnalului de intrare. Aceste amplificatoare sunt necesare ori de câte ori trebuie amplificate tensiuni sau curenţi care au valori medii diferite de zero sau au variaţii foarte lente în timp (frecvenţefoarte joase). În cazul acestui tip de amplificatoare sunt folosite mai des conexiunile emitor-comun (sursă-comună) sau colector-comun (drenă-comună) şi mai rar conexiunea bază-comună (grilă comună) datorită complicaţiilor ridicate de polarizarea în curent continuu a acestei din urmă conexiuni. Utilizarea tranzistoarelor cu siliciu în amplificatoarele de curent continuu prezintă avantaje faţă de utilizarea tranzistoarelor cu germaniu: curentul rezidual I C0 este practic neglijabil, indiferent de temperatura la care lucrează dispozitivul; acoperirea suprafeţei cu SiO2 asigură o bună stabilitate în timp a performanţelor tranzistorului; se poate obţine un factor de amplificare în curent β de valori ridicate chiar la curenţi de colector foarte mici.
5.1.1. Cuplarea directă a două etaje de amplificare Tranzistoarele T1 şi T2 corespunzătoare celor două etaje de amplificare în curent continuu sunt în montaj emitor comun. Polarizarea tranzistorului T2 se face direct din colectorul tranzistorului T1. Acest lucru face ca tensiunea colector-emitor a tranzistorului T1 să nu poată depăşi valoarea de aproximativ 0,6V (cât este tensiunea bază-emitor a unui tranzistor cu siliciu în conducţie). Pentru semnale mici acest montaj asigură o tensiune de polarizare suficientă. La semnale mai mari, tranzistorul T1 va intra în saturaţie. Amplificarea unui etaj a amplificatorului Valoarea curentului de bază în circuitul de intrare: unde Rb este rezistenţa bazei tranzistorului Valoarea curentului de colector unde β reprezintă factorul de amplificare în curent.
Tensiunea colector-emitor a tranzistorului rezultă din ecuaţia tensiunilor, scrisă pentru ochiul de ieşire: Amplificarea în tensiune: relaţie din care rezultă că amplificarea în tensiune a unui etaj este proporţională cu factorul de amplificare în curent a tranzistorului şi cu rezistenţa sa de colector şi invers proporţională cu rezistenţa de bază a tranzistorului. Formele de undă pentru amplificatorul anterior. 1. Tensiunea de intrare - Ui 2. Tensiunea colector-emitor T 1 U CET1 3. Tensiunea colector-emitor T 2 U CET2 4. Curentul de bază - I B - Un dezavantaj al acestui amplificator este reprezentat de faptul că amplificarea semnalului de intrare se realizează pentru tensiuni de intrare ce depăşesc tensiunea de deschidere a joncţiunii bază-emitor a tranzistorului. - De asemenea, tensiunea de colector a etajului realizat cu tranzistorul T1 trebuie să fie suficient de mică în aşa fel încât tranzistorul T2 să iasă din saturaţie.
Rezultă că acest amplificator nu va amplifica tensiuni de intrare oricât de mici ci doar tensiuni ce depăşesc o anumită valoare (tensiunea de deschidere a tranzistorului T 1 ) şi au un domeniu de variaţie relativ mic. Dezavantajul limitării excursiei tensiunii emitor-colector a tranzistorului T1 din figura 5.4 poate fi înlăturat folosind circuitul din figura 5.7. Cuplajul colector-bază prin divizorul de tensiune R2, R3 face posibilă mărirea tensiunii de colector a tranzistorului T1, deoarece se creează o cădere de tensiune la bornele lui R2. Tensiunea colector-emitor a tranzistorului T1 va fi: Introducerea rezistenţei R3, conectată la a doua sursă de alimentare, este necesară pentru a obţine curentul prin rezistenţa R2 care să creeze căderea de tensiune UR2. Obţinerea unei căderi de tensiune numai pe baza curentului de bază a tranzistorului T2 nu este convenabilă din cauza valorii mici a acestuia şi a variaţiei sale cu temperatura. Acest circuit are dezavantajul că semnalul de intrare amplificat este aplicat pe baza tranzistorul T2 prin divizorul rezistiv R2, R3, ceea ce echivalează cu o reducere a amplificării primului etaj.
Eliminarea dezavantajelor amplificatorului cu divizor (în special reducerea amplificării) se face prin folosirea amplificatorului cu diodă Zener prezentat în figura 5.12. Tensiunea colector-emitor a tranzistorului T1 este dată de tensiunea diodei Zener şi de tensiunea bază-emitor a tranzistorului T2. Variaţiile de tensiune ce apar în colectorul tranzistorului T1 se transmit aproape integral în baza tranzistorului T2, deoarece rezistenţa dinamică a diodei Zener este foarte mică în comparaţie cu rezistenţa R3. Divizarea semnalului din colectorul tranzistorului T1 se poate evita şi prin creşterea rezistenţei R3. În schema din figura 5.13 rezistenţa R3 a fost înlocuită cu un tranzistor T3 generator de curent constant. Tranzistorul T3 este polarizat de rezistenţele R4, R5 şi R3. Rezistenţa dinamică colector-emitor a tranzistorului T3 fiind foarte mare, variaţiile de tensiune din colectorul lui T1 nu vor mai fi divizate, apărând aproape integral în baza lui T2.
În figura 5.16. este reprezentat cuplajul direct între două tranzistoare de tip npn şi pnp. După cum se vede acest cuplaj este extrem de simplu, tensiunile de polarizare ale tranzistoarelor fiind asigurate prin alegerea surselor de alimentare: U CE1 = E C1 U EB2 Pentru a avea o cădere de tensiune dată de curentul de colector al lui T1 pe rezistenţa R1, trebuie ca EC2 > EC1. Avantajele unui cuplaj atât de simplu sunt compensate de faptul că sunt necesare trei surse de alimentare. De asemenea, la acest circuit există pericolul ca la saturarea tranzistorului T1 să se producă scurtcircuitarea sursei EC1 la masă prin joncţiunea bază-emitor a tranzistorului T2 şi prin colectorul şi emitorul tranzistorului T1. Valoarea curentului de scurtcircuit nefiind limitată de nici o rezistenţă, distrugerea tranzistoarelor este inevitabilă. Acest neajuns poate fi înlăturat dacă se conectează o rezistenţă de protecţie în serie cu baza tranzistorului T2.