Amplificatoare de semnal mic cu reactie negativa

Amplificatoare de semnal mic cu reactie negativa

Se spune ca un amplificator are reactie daca o parte din semnalul de la iesirea acestuia este aplicat, prin intermediul unui circuit liniar numit retea de reactie, la intrarea amplificatoarului, semnalul de iesire influentandu-si astfel propria sa valoare. Schema bloc a unui amplificator cu reactie este prezentata in Figura 1 in care se pune in evidenta amplificatorul de baza, reteaua de reactie si comparatorul. Daca circuitul de comparare realizeaza scaderea semnalelor de intrare si de reactie (asa cum este cazul in Figura 1), atunci reactia este negativa, situatie in care amplificarea totala a circuitului scade. In aplicatiile cu amplificatoare intereseaza numai reactia negativa datorita proprietatilor pe care aceasta le prezinta.

Figura 1. Schema bloc a unui amplificator cu reactie.

De cele mai multe ori, in schemele reale, comparatorul nu se poate pune in evidenta ca circuit distinct. Daca amplificatorul de baza si reteaua de reactie sunt presupuse unilaterale (adica sensul semnalului prin aceste circuite este numai de la intrarea spre iesire lor, nu si invers), din schema bloc a amplificatorului cu reactie negativa se poate deduce amplificarea totala a circuitului cu reactie. In urma compararii semnalului de intrare cu cel de reactie va rezulta:

(1)

Dar:

(2)

(3)

unde a reprezinta amplificarea amplificatorului de baza, iar f functia de transfer a retelei de reactie. Asadar, amplificarea totala a circuitului cu reactie, notata A, denumita si castigul (amplificarea) in bucla inchisa este:

(4)

In legatura cu relatia (4) se definesc marimile:

C     transmisia pe bucla: T a f

C     factorul de desensibilizare a buclei de reactie: F=1+T

Daca transmisia pe bucla a amplificatorului a f este mult mai mare ca unitatea, atunci amplificarea totala A a circuitului cu reactie va depinde numai de reteaua de reactie:

(5)

Acest lucru reprezinta un prim avantaj pe care-l confera introducerea unei reactii negative intr-un amplificator, deoarece reteaua de reactie este realizata uzual din componente pasive (rezistente si condensatoare), care pot avea precizii ridicate ale valorilor precum si o stabilitate foarte buna in timp sau la variatiile de temperatura, aceste caracteristici fiind transmise si parametrului A

Se disting patru topologii de reactie, in functie de modul in care este conectat amplificatorul de baza cu circuitul cu reactie, la iesire, respectiv la intrare (conectare paralel sau conectare serie). Pentru o mai buna precizare a topologiilor de reactie se folosesc termenii de esantionare, respectiv comparare. Esantionarea se foloseste pentru iesire, sugerand modul in care se preia semnalul de iesire pentru a fi transferat la intrare. Compararea se refera la intrare, pecizand cum se realizeaza operatia de scadere intre semnalul de intrare X₁ si cel care provine de la iesirea retelei de reactie, X₄. Cele patru topologii sunt:

C     reactia paralel-paralel (cu esantionare in nod si comparare in nod)

C     reactia paralel-serie (cu esantionare in nod si comparare in bucla)

C     reactia serie-serie (cu esantionare in bucla si comparare in bucla)

C     reactia serie-paralel (cu esantionare in bucla si comparare in nod)

Alegerea topologiei de reactie depinde de cerintele aplicatiei, pentru fiecare topologie existand un anumit tip de factor de amplificare (de tensiune, de curent, transimpedanta sau transadmitanta) pentru care se manifesta proprietatile reactiei. In continuare vor fi prezentate aceste proprietati.

Desensibilizarea factorului de amplificare

Factorul de amplificare a al amplificatorului de baza este sensibil fata de conditiile de lucru (este sensibil la variatiile sursei de alimentare sau la variatiile temperaturii mediului, precum si la dispersia tehnologica a parametrilor dispozitivelor electronice, cum ar fi de exemplu factorul de amplificare in curent b_F al tranzistorului bipolar). Daca transmisia pe bucla T este mult mai mare ca unitatea, atunci introducerea unei reactii negative, conform relatiei (5), determina ca factorul de amplificare A al circuitului cu reactie sa depinda numai de componentele retelei de reactie, deci sa devina mai putin sensibil fata de conditiile de functionare ale etajului de amplificare. Luand in considerare variatiile lui A in raport cu a putem scrie:

sau:

(6)

Se constata ca, prin aplicarea unei reactii negative, variatia relativa a amplificarii circuitului cu reactie scade de F ori fata de variatia relativa a amplificarii circuitului fara reactie, deci amplificarea circuitului cu reactie este de F ori mai putin sensibila la diferitele perturbatii decat amplificarea circuitului fara reactie (de aici si denumirea de factor de desensibilizare pentru parametrul F

Modificarea benzii de frecventa si a rezistentelor de intrare si de iesire ale amplificatorului

Aplicarea unei reactii negative unui circuit de amplificare duce la cresterea benzii de frecventa. Astfel, frecventa superioara a amplificatorului creste de (1+T) ori:

(7)

iar frecventa inferioara a amplificatorului scade de (1+T) ori:

(8)

unde T reprezinta transmisia pe bucla a circuitului cu reactie, f_s si f_j, frecventa superioara, respectiv inferioara a amplificatorului de baza, iar f_s^* si f_j^* frecventa superioara, respectiv inferioara a amplificatorului cu reactie.

Introducerea unei reactii negative duce si la modificarea rezistentelor de intrare si de iesire ale amplificatorului. Modificarea acestora depinde de topologia de reactie adoptata si se manifesta in sensul transformarii amplificatorului cu reactie intr-un amplificator ideal (cu factorul de amplificare independent de circuitul extern amplificatorului).

Astfel, daca amplificatorul de baza si reteaua de reactie sunt conectate in serie, la intrare sau la iesire, atunci rezistenta, de intrare, respectiv de iesire a amplificatorului cu reactie creste de (1+T ori:

(9)

Daca amplificatorul de baza si reteaua de reactie sunt conectate in paralel, la intrare sau la iesire, atunci rezistenta, de intrare, respectiv de iesire, a amplificatorului cu reactie, scade de (1+T ori:

(10)

unde R^* reprezinta rezistenta (de intrare sau de iesire) a amplificatorului cu reactie, iar R reprezinta rezistenta (de intrare sau de iesire) a amplificatorului de baza.

Reducerea distorsiunilor neliniare si a influentei semnalelor parazite

Distorsiunile neliniare sunt determinate de caracteristicile de transfer neliniare ale dispozitivelor electronice. Introducerea unei reactii negative duce la micsorarea pantei caracteristicilor de transfer si a factorului de amplificare. Este de asteptat ca, pe baza desensibilizarii amplificatorului cu reactie, caracteristica de transfer a amplificatorului cu reactie sa rezulte mai liniara, situatie sugerata grafic in Figura 2. Se observa ca regiunile de saturatie, unde a₃=0, nu pot fi liniarizate prin reactie deoarece amplificatorul cu reactie se satureaza.

Reducerea distorsiunilor neliniare se realizeaza din punct de vedere fizic printr-o predistorsionare a semnalului la intrarea amplificatorului de baza care, la randul sau, continua sa distorsioneze semnalul chiar si in prezenta reactiei negative (isi pastreaza caracteristica de transfer neliniara). Forma de unda este astfel modificata, incat la iesirea amplificatorului de baza aceasta sa reapara in forma sa originala (de la iesirea generatorului de semnal).

Reactia negativa poate imbunatati si raportul semnal-zgomot cu conditia ca zgomotul sa nu fie introdus in acelasi punct cu semnalul util. Practic, acest lucru se realizeaza daca amplificatorul de baza se compune din cel putin doua blocuri de amplificare, iar cel asupra caruia se aplica semnalul util (generatorul de semnal) este un etaj imun la perturbatii (realizat, de exemplu, cu tranzistoare sau cu amplificatoare operationale cu un raport semnal-zgomot foarte mare), asa cum se prezinta si in schema bloc din Figura 3.

Figura 2. Liniarizarea caracteristicilor de transfer prin intermediul reactiei negative.

Figura 3. Reducerea influentei semnalelor parazite prin intermediul reactiei negative.

Semnalul parazit X_n poate reprezenta zgomotul din reteaua de alimentare (brum-ul), care provine din filtrarea imperfecta a tensiunii de alimentare (obtinuta prin redresare). In plus, valoarea amplificarii primului bloc de amplificare se alege astfel incat sa compenseze reducerea amplificarii datorate prezentei reactiei negative. Pentru aceasta, a₁ trebuie sa respecte relatia:

(11)

Se poate demonstra ca raportul semnal-zgomot de la iesirea amplificatorului cu reactie este de a₁ ori mai bun decat raportul semnal-zgomot de la iesirea amplificatorului fara reactie.

(12)

Deci, introducerea unei reactii negative determina o serie de imbunatatiri ale performantelor amplificatorului. Singurul dezavantaj consta in reducerea factorului de amplificare, problema care se poate remedia prin introducerea in circuit a unor blocuri suplimentare de amplificare.

Evaluarea experimentala a performantelor amplificatorului de semnal mic cu reactie negativa

In scopul evaluarii practice a performantelor unui amplificator cu reactie negativa, se realizeaza circuitul din Figura 4, care reprezinta un amplificator cu reactie negativa de tip paralel-serie. Pentru acest tip de amplificator, proprietatile reactiei negative se manifesta asupra factorului de amplificare in tensiune A_V V₀/V_g

Se determina PSF-ul celor doua tranzistoare. Pentru cazul in care tensiunea de alimentare a circuitului este stabilita la valoarea V_CC=V_CC1=10V, se va masura, cu voltmetrul stabilit pe gama de 10V, tensiunea V_RC1 de pe rezistenta R_C1 si tensiunea V_RC2 de pe rezistenta R_C2, apoi tensiunea V_CE1 si tensiunea V_CE2 si in final se vor calcula curentii din PSF ai celor 2 tranzistoare cu relatiile I_C1=V_RC1/R_C1, respectiv I_C2=V_RC2/R_C2

Pe circuitul cu bucla de reactie intrerupta (nu exista conexiune intre punctele A si B) se vor efectua urmatoarele masuratori:

Tensiunea de alimentare se pastreaza la valoarea V_CC V_CC1=10V. Se aplica la intrarea amplificatorului un semnal sinusoidal de amplitudine V_g=30mv (valoare care se regleaza in gol, cu ajutorul osciloscopului - dupa procedeul prezentat in laboratorul precedent; in acest scop, este necesar sa se introduca o atenuare de -40dB de la generatorul de semnal, prin apasarea celor 2 comutatoare de -20dB) si frecventa 1KHz. Se masoara cu osciloscopul amplitudinea tensiunii de la iesirea circuitului V₀, apoi se calculeaza amplificarea in tensiune a acestuia: A_V V₀/V_g

Se determina variatia relativa a amplificarii in tensiune, in conditiile variatiei tensiunii de alimentare. In acest sens, se repeta masuratoarea de la punctul 2, pentru cazul in care tensiunea de alimentare este modificata la valoarea V_CC V_CC2=15V. Se calculeaza variatia relativa a amplificarii cu ajutorul relatiei de mai jos (unde A_V V_CC1) este amplificarea in tensiune pentru cazul in care tensiunea de alimentare este 10V, iar A_V V_CC2) este amplificarea in tensiune pentru cazul in care tensiunea de alimentare este 15V):

DA_V = (13)

Se revine la tensiunea de alimentare V_CC V_CC1=10V Se aplica la intrarea circuitului acelasi semnal ca si la punctele precedente, de amplitudine V_g=30mV si frecventa 1KHz si se masoara amplitudinea tensiunii V_i, cu osciloscopul. Se calculeaza rezistenta de intrare in amplificator cu formula de mai jos, in care R_g W

(14)

Se masoara frecventa superioara f_S a amplificatorului (tensiunea de alimentare ramane neschimbata: V_CC V_CC1 10V). Se aplica la intrarea circuitului acelasi semnal, de amplitudine V_g=30mV si frecventa 1KHz si se masoara cu osciloscopul amplitudinea V₀ a tensiunii de la iesirea circuitului. (care este aceeasi ca la punctul 2). Aceasta valoare reprezinta valoarea din banda a acestei marimi si se noteaza cu V_0B. Apoi, se creste frecventa semnalului sinusoidal de la generator (daca este cazul se comuta pe game superioare de frecventa), iar amplitudinea semnalului de la generator se mentine constanta (nu se modifica pozitia potentiomentrului AMPL. a generatorului!) pana cand se observa pe osciloscop ca amplitudinea tensiunii de iesire V₀ scade de la valoarea V_0B la valoarea . Aceasta scadere este datorata in principal capacitatilor parazite ale tranzistoarelor bipolare. Cand se constata aceasta micsorare a tensiunii de iesire, se masoara frecventa semnalului (sau se citeste de pe ecranul generatorului de semnal), valoarea respectiva reprezentand frecventa superioara f_S a amplificatorului. Daca frecventa de la generator se creste in continuare, atunci se va constata ca la iesire semnalul se micsoreaza pana la 0V.

Se reiau punctele 2 5 pentru amplificatorul cu reactie negativa (in care exista conexiune intre punctele A si B) si se compara rezultatele obtinute pentru amplificatorul fara, respectiv cu reactie. Pentru aceste puncte, amplitudinea semnalului V_g se regleaza la valoarea V_g=100mV In acest scop, este necesar sa se introduca o atenuare de -30dB de la generatorul de semnal, prin apasarea celor unui comutator de -20dB si a unui comutator de -10dB

Figura 4. Etaj de amplificare cu reactie negativa paralel serie

Analiza performantelor amplificatorului de semnal mic cu reactie negativa, cu ajutorul programului de simulare SPICE

In continuare se va efectua analiza proprietatilor reactiei negative cu ajutorul programului de simulare SPICE. Mai intai se va simula amplificatorul din Figura 4. Pe circuitul din Figura 4 va fi analizata influenta reactiei negative asupra desensibilizarii factorului de amplificare, asupra rezistentei de intrare si asupra benzii de frecventa a amplificatorului.

Cazul A: amplificator fara reactie negativa (in circuit nu exista componentele R_F si C_F

La intrarea circuitului se va aplica un generator de semnal sinusoidal caracterizat de urmatorii parametrii: amplitudine V_g= 25mV si frecventa f=1KHz (restul parametrilor vor fi considerati nuli).

Tensiunea de alimentare V_CC are valoarea V_CC V_CC1=9, 10, 11V Sa se determina PSF-ul tranzistoarelor.

Tensiunea de alimentare V_CC are valoarea V_CC=9, 10, 11V. Se vor vizualiza 4 perioade ale tensiunii V₀. Pe forma de unda obtinuta se va masura amplitudinea semnalului V₀, cu ajutorul cursorului, apoi se va calcula modulul amplificarii in tensiune a circuitului:

In calculul amplitudinilor se va tine cont de toate zecimalele cu care marimile sunt afisate in Spice.

Se reia punctul de mai sus, pentru cazul in care tensiunea de alimentare are valoare V_CC=15, 16, 17 Se calculeaza modulul amplificarii in tensiune a circuitului:

Pe baza rezultatelor obtinute la punctele 2 si 3 se calculeaza variatia relativa a amplificarii DA_V, cu ajutorul relatiei (13).

Tensiunea de alimentare V_CC are valoarea V_CC de la primul punct. Se vor vizualiza 4 perioade ale tensiunii V_i. Pe forma de unda obtinuta se va masura amplitudinea semnalului V_i, cu ajutorul cursorului, apoi se va calcula rezistenta de intrare in amplificator R_i, pe baza relatiei (14).

Se vizualizeaza caracteristica de frecventa a amplificatorului, adica variatia amplitudinii semnalului de iesire V₀ in functie de frecventa semnalului generat de generatorul V_g. Tensiunea de alimentare V_CC are valoarea de la primul punct Amplitudinea semnalului de la generator se va considera V_g=25mV, iar domeniul de frecventa a lui V_g va fi baleiat logaritmic (deci caracteristica se va vizualiza pe decade) pe domeniul 1Hz 1000MHz. Pentru analiza in cauza se vor considera puncte de analiza pe decada. Pe caracteristica obtinuta se va determina frecventa superioara f_S. Aceasta determinare se desfasoara astfel: se masoara cu ajutorul cursorului valoarea maxima a amplitudinii semnalului de iesire V₀, iar aceasta valoare va reprezenta valoarea din banda a tensiunii de iesire, care se noteaza V_0B. Apoi, se va deplasa cursorul pe caracteristica, spre directia frecventelor mari, pana cand amplitudinea lui V₀ scade la valoarea V_0B/ . Se va citi valoarea frecventei care corespunde punctului caracterizat de nivelul V₀=V_0B/ Aceasta valoare este frecventa superioara a amplificatorului.

Cazul B: amplificator cu reactie negativa (in circuit exista componentele R_F si C_F

Se reiau toate punctele de mai sus, in care amplitudinea lui V_g se modifica la valoarea V_g 100mV

DATA:

Referat-Evaluare experimentala

MASA:

Se completeaza urmatorul tabel cu valorile determinate prin masuratori, respectiv prin utilizarea formulelor de calcul:

Nume prenume (grupa)

1.

2.

3.

DATA:

REFERAT - Evaluare Spice

MASA:

Se completeaza tabelul cu rezultatele obtinute in urma simularilor (curentii in mA, tensiunile in V, rezistentele in KW, iar frecventele in kHz):

Nume prenume (grupa)

1.

2.

3.