Amplificatoare electronice

Amplificatoare electronice

1.1 Generalitati

Un amplificator reprezinta un cuadripol activ, prevazut cu doua borne de intrare si doua borne de iesire, capabil sa redea la iesire semnale electrice de putere mult mai mare decat cele de la intrare.

Pentru a indeplini aceasta functie, un amplificator trebuie prevazut cu o sursa de energie electrica, pe seama careia se obtine sporul de putere de la iesire si cu elemente active care sa transforme o parte din energia absorbita de la sursa de alimentare in energie de curent alternativ, variabil in ritmul semnalului. In schemele care nu necesita detalii, amplificatoarele se reprezinta simbolic ca in (fig. 1)

Fig.1 - simbolul unui amplificator cu mai multe etaje

1.2 Clasificarea amplificatoarelor

Un amplificator consta din unul sau mai multe etaje de amplificare. Ele se pot clasifica dupa urmatoarele criterii:

Dupa natura semnalului ce preponderenta amplificat, se intalnesc:

- amplificatoare de tensiune

- amplificatoare de curent

- amplificatoare de putere

Primele doua categorii au la intrare semnale electrice de amplitudini relativ mici, fiind numite "de semnal mic". Cea de-a treia categorie de amplificatoare trebuie sa furnizeze la iesire puteri mari (cel putin de ordinul watilor), cu un randament acceptabil; ele lucreaza aproape de posibilitatile lor maxime in privinta puterii disipate, a curentilor si a tensiunilor - de aceea se numesc amplificatoare "de semnal mare".

Dupa tipul elementelor active folosite se intalnesc:

- amplificatoare cu tuburi electronice

- amplificatoare cu semiconductoare

- amplificatoare cu circuite integrate (operationale)

- amplificatoare magnetice

Dupa valoarea benzii de frecventa a semnalelor amplificate, adica dupa

valorile frecventelor semnalului de intrare, amplificatoarele se pot clasifica astfel:

- amplificatoare de curent continuu: amplifica frecvente incepand cu j = 0 (curent continuu)

- amplificatoare de audiofrecventa (joasa frecventa): amplifica semnale de banda audibila intre 20 Hz si 20 kHz

- amplificatoarele de foarte inalta frecventa: pentru frecvente cuprinse intre 30 si 300MHz.

Banda amplificatoarelor este cel putin egala cu cea a semnalelor redate.

Dupa latimea benzii de frecventa amplificata, se intalnesc:

amplificatoare de banda ingusta (920 kHz)

- amplificatoare de banda larga (amplificatoare de videofrecventa), avand o gama de frecvente amplificate cuprinse intre cativa herti (teoretic 0 Hz) si 5 MHz (teoretic 6 MHz).

Dupa tipul cuplajului folosit intre etaje, se pot intalni:

- amplificatoare cu cuplaj RC;

- amplificatoare cu circuite acordate

- amplificatoare cu cuplaj prin transformator

- amplificatoare cu cuplaj rezistiv (numite si amplificatoare cu cuplaj galvanic sau de curent continuu).

De obicei un amplificator apartine simultan mai multor categorii de clasificare. De exemplu, un amplificator de tensiune dintr-un receptor de radio poate fi un amplificator ce tranzistoare, de audiofrecventa, de semnal mic, de banda ingusta, cu cuplaj RC.

1.3 Parametrii amplificatoarelor

Performantele amplificatoarelor se exprima prin anumite caracteristici sau parametrii. Marimile fundamentale caracteristice pentru functionarea unu amplificator sunt:

- coeficientul de amplificare (amplificarea, castigul)

- caracteristicile amplitudine-frecventa si faza-frecventa;

- distorsiunile

-raportul semnnal/zgomot

- gama dinamica

- sensibilitatea

1.3.1 Coeficientul de amplificare (amplificarea)

Amplificarea este cea mai importanta marime caracteristica a unui amplificator. Ea reprezinta raportul dintre o marime electrica de la iesirea amplificatorului si marimea corespunzatoare de la intrare. In functie de natura acestei marimi electrice, se pot defini:

- amplificarea in tensiune:

(fig.2)

- amplificarea in curent:

(fig.3)

- amplificarea in putere:

( fig.4)

Deoarece semnalul de iesire poate fi defazat fata de cel de intrare, inseamna ca amplificarea in tensiune si cea in curent sunt numere complexe, avand un modul |A| si o faza φ; amplificarea in putere este un numar real, deoarece puterea este o marime scalara.

La un amplificator cu mai multe etaje (fig.2), amplificarea totala este egala cu produsul amplificarilor fiecarui etaj. In adevar, se observa usor ca (de exemplu, amplificator cu trei etaje):

(fig.5)

In electronica si telecomunicatii, pentru exprimarea valorii amplificarii se folosesc unitatile logaritmice. Unitatea bazata pe logaritmii zecimali se numeste decibel (dB), iar cea bazata pe logaritmii naturali se numeste neper (Np). Introducerea lor se bazeaza pe necesitatea de a trasa grafice intr-un domeniu mare de variatie a amplitudinilor semnalelor precum si intr-un domeniu mare de frecventa. Exprimarile amplificarilor, in aceste conditii, sunt:

(fig.6)

(fig.7)

(fig.8)

in care:

1Np = 8.686 dB     (fig.9)

1.3.2 Caracteristica amplitudine - frecventa

In cazul unui amplificator ideal, un semnal de amplitudine consta si de diferite frecvente, aplicat la intrare, este redat la iesire tot cu amplitudine constanta (marita ca valore), aceeasi pentru toate frecventele. In cazul amplificatoarelor reale, amplitudinea semnalelor de diferite frecvente de la iesire nu mai este constanta, fiind mai mica spre capetele benzii (la frecvente inferioare si la cele superioare), datorita urmatoarelor cauze:

- elementele reactive din circuit (condensatoare, bobine) prezinta reactante ce variaza cu frecventa;

- factorii de amplificare (α, β), ai tranzistoarelor depind de frecventa (peste o anumita valoare a frecventei);

- dependenta amplificarii de frecventa este caracterizata prin curbele de variatie cu frecventa modulului si , respectiv a fazei amplificarii, deoarece amplificarea este un numar complex. Curba |A| = A(f)| se numeste caracteristica amplitudine frecventa (fig.10). Se observa ca amplificarea este independenta de frecventa (cu valori constante) intr-o regiune numita a " frecventelor medii" si scade atat la frecvente inalte, cat si la frecvente joase.

1.3.3 Distorsiunile

Reproducerea inexacta a semnalului de iesire data de cel de intrare, datorita fie variatiei amplitudinii cu frecventa, fie a unor frecvente noi introduse, poarta numele de distorsiuni. Dupa tipul lor, ele pot fi:

- distorsiuni ale amplitudinii in functie de frecventa;

- distorsiuni ale fazei in finctie de frecventa

- distorsiuni armonice

- distorsiuni de intermodulatie

Fig.10 - dependenta de frecventa a aplificarii:

a.caracteristica amplitudine-frecventa

b.caracteristica faza-frecventa

Primele doua categorii se numesc distorsiuni de frecventa sau liniare, iar ultimele doua categorii se numesc distorsiuni neliniare.

Distorsiunile de frecventa sunt foarte importante in etajele de semnal mic.

Distorsiunile amplitudinii in functie de frecventa redau abaterile caracteristicii reale de la caracteristica ideala; se evalueaza cantitativ prin relatia:

(fig.11)

in care: M este factorul de distorsiuni de amplitudine

|A₀| - amplificarea la frecvente medii

|A(f)| - amplificarea la anumita frecventa "f"

Banda de frecventa a unui amplificator este domeniul de frecvente cuprinse intre o frecventa limita superioara f_s si o frecventa limita inferioara f_i, a caror amplitudine reprezinta = 0.707 din amplitudinea frecventelor medii. La aceste frecvente amplificarea scade cu 3 dB fata de A₀ (amplitudinea frecventelor medii).

Distorsiunile de baza. Abaterile caracteristice faza-frecventa (fig.10 b) fata de caracteristica unui amplificator ideal (o dreapta de ecuatie φ=-kf) reprezinta distorsiunile de faza. Datorita neliniaritatii caracteristicii de perceptie auditiva umana, ele sunt mai putin importante in audiofrecventa, dar sunt foarte importante in amplificatoarele de videofrecventa.

Distorsiunile neliniare armonice. Prin distorsiuni neliniare armonice se inteleg acele deformari ale semnalului de la iesirea unui amplificator care sunt produse de caracteristicile elementelor neliniare: tuburi electronice, tranzistoare, miezuri magnetice (fig. 12)

Fig.12 - aparitia distorsiunilor neliniare intr-un etaj amplificator cu tranzistor

1.3.4 Raport semnal/zgomot

Reprezinta raportul intre tensiunea de iesire produsa de semnalul amplificat si tensiunea de zgomot propriu. Tensiunea de zgomot a unui amplificator este semnalul aleator (cu variatia haotica in timp) produs de elementele componente ale amplificatorului: rezistoare, tranzistoare, datorita structurii discontinue a curentului electric. Ea se masoara la iesirea amplificatorului, scurcircuitand bornele sale de la intrarea amplificatorului. Acesta reprezinta valoarea tensiunii de intrare care ar crea la iesire tensiunea propie de zgomot. Pentru ca semnalul de intrare sa nu fie perturbat in mod suparator este necesar ca ele sa depaseasca de un numar de ori nivelul zgomotului, deci sa se realizeze un anumit raport semnal/zgomot.

La un amplificator cu mai multe etaje zgomotul provine mai ales, din circuitul de intrare si din primul etaj. Zgomotele provin din rezistoare, din elemente active si se pot datora si unor cauze constructive: filtrarea insuficienta a tensiunii de alimentare, ecranare necorespunzatoare a circuitelor etc.

Valoarea raportului semnal/zgomot se reda sub forma:

raport semnal/zgomot = 20 log (fig.13)

1.3.5 Gama dinamica

Reprezinta raportul intre semnalul de putere maxima si cel de putere minima pe care le poate reda amplificatorul. Nivelul semnalului amplificat este limitat superior de catre puterea etajului final si inferior de raportul semnal/zgomot al amplificatorului. De retinut ca amplificatoarele la care nu se iau precautii speciale pt reduce gama dinamica a unui program.

1.3.6 Sensibilitatea

Sensibilitatea unui amplificator reprezinta tensiunea necesara la intrarea acestuia pentru a obtine la iesire tensiune sau putere nominala. Cunoscand amplificarea si puterea nominala se poate calcula sensibilitatea. Ea caracterizeaza mai ales etajele amplificatoare de putere si se exprima in unitati de tensiune (V, mV, μV).

1.4 Etaje de amplificare

Amplificatoarele de audiofrecventa (de joasa frecventa) sunt destinate amplificarii semnalelor cu frecvente cuprinse intre zeci de herti si zeci de kiloherti. Excitate cu semnale mici, ele trebuie de obicei sa furnizeze puteri relativ mari pe impedante de sarcina, de obicei pur rezistive.

Amplificatoarele de audiofrecventa sunt constituite intr-un numar de amplificatoare in tensiune si dintr-un etaj final care amplifica in putere. Pentru puteri mari, chiar etajul care precede etajul final amplifica in putere.

1.4.1 Amplificatoarele de tensiune

Aceste amplificatoare au rolul de a amplifica semnalele de intrare - cu distorsiuni in limita celor impuse - pana la nivelul cerut, fara a debita practic putere. Etajele sunt echipate cu tranzistoare in conexiune EC, cuplajul fiind de obicei facut prin condensatoare, sau prin transformator. Din acest motiv va fi analizat ca tipic amplificator cu EC, in cuplaj RC, studiindu-se comportarea sa cu frecventa (fig.14).

Fig.14 - Amplificator cu tranzistor in montaj EC, cu cuplaj RC

1.4.2 Amplificatoare de putere

In cazul amplificatoarelor de putere prezinta interes nu numai amplitudinea semnalului de la bornele de iesire ale amplificatorului, ci si puterea debitata de acest semnal in sarcina. In mod obisnui, pentru a obtine o anumita putere la iesirea etajului final al amplificatorului, trebuie aplicata o anumita putere la intrarea lui, deci acest tip de amplificatoare se caracterizeaza printr-o anumita amplifcare de putere. In principiu exista, doua deosebiri principale intre amplificatoarele de tensiune si cele de putere, in privinta conditiilor specifice de functionare:

- nivelul semnalului necesar la intrare: semnal mic la amplificatoarele de tensiune (AU) si semnal mare la cele de putere (AP)

- valorea impedantei de sarcina; relativ mare (Z_int ~ h₁₁ = sute de ohmi pana la kiloohmi) pentru AU, mica (R_difuzor = cativa Ω) pentru AP.

• Cuplajul prin transformator

Datorita valorilor foarte diferite pe care le au rezistenta de iesire a unui montaj cu tranzistor (sute de kΩ, MΩ) si valoarea sarcinii (cativa ohmi), pentru realizarea unui transfer maxim de putere in impedanta de sarcina cuplajul intre iesirea etajului si sarcina se face prin intermediul unui transformator care transforma impedanta de sarcina la valoarea optima a impedantei de sarcina a amplificatorului.(fig.15)

Fig.15 - schema unui transformator de cuplaj cu sarcina

• Clase de functionare pentru amplificatoare de putere

In functie de tensiunea continua de polarizare baza emitor si de amplitudinea semnalului de excitatie, un tranzitor poate fi utilizat in mai multe regimuri de lucru, numite clase de functionare. (fig.16)

Fig.16 - definirea claselor de functionare ale unui amplificator de putere cu un tranzistor

• Amplificator de putere in clasa A

Schema celui mai simplu amplificator de putere cu tranzistor in conexiune EC, clasa A, si caracteristica dinamica a acestuia, sunt prezentate in (fig.17).

Avantajul acestui tip de etaj este ca reda la iesire un semnal de aceeasi forma cu a celui de intrare, deci ca nu introduce distorsiuni neliniare.

Dezavantajul lui este ca in absenta semnalului se consuma putere in circuitul tranzistorului (I_co ≠ 0), ceea ce duce la un consum ridicat al sursei de alimentare.

Fig.17 - Amplificator de putere clasa A:

a.schema etajului

b.caracteristica dinamica

• Amplificator de putere in clasa B

Dezavantajul etajelor clasa A poate fi evitat folosint la amplificatoarele de putere clasa B de functionare. In acest caz, insa, datorita reproducerii la iesire a unei singure alternante din semnalul sinusoidal aplicat la intrare, este necesara folosirea a doua tranzistoare care sa reproduca pe rand cate una din alternante. Acest sistem se numeste "in contratimp".

Schemele de amplificare de putere in contratimp (clasa B) cu tranzistoare se pot clasifica dupa urmatoarele criterii:

-dupa tranzistorele folosite

-dupa modul de cuplaj cu etajul precedent

-dupa modelul de cuplaj cu sarcina (de obicei difuzorul)

Cele mai reprezentative scheme de amplificare de putere functionand in clasa B sunt:

-cu tranzistoare de acelasi tip, in montaj simetric (fig.18)

-cu tranzitor de tip opus, in montaj complementar (fig.19)

-cu tranzistoare identice, in montajul cvasicomplementar (fig.20)

Fig.18 - montaj cu tranzistoare npn

Fig.19 - montaj cu tranzistoare complementare

Fig.20 - montaj de tip cvasi-complementar

1.5 Reactia in amplificare

Prin reactie in amplificare se intelege    aplicarea unei tensiuni proportionala cu unul din parametrii de iesire ai amplificatorului, inapoi la intrarea lui, impreuna cu semnalul de intrare.

Dupa natura parametrului de iesire se disting reactia de tensiune si reactia de curent.

Tensiunea de reactie se reaplica la intrare prin intermediul unui circuit de reactie, in cazul general de tip cuadripol. Amplificatorul, la randul sau, poate fi si el privit ca un cuadripol. In aceste conditii, se pot distinge urmatoarele tipuri generale de ractie: de tip serie si de tip paralel.

In acest fel se pot distinge patru categorii de scheme de reactie: serie-serie, serie-paralel, paralel-serie, paralel-paralel.(fig.21). Cele mai frecvente tipuri sunt cele cu reactie de tip serie paralel si paralel-serie, denumite pe scurt amplificatoare cu reactie serie, respectiv amplificatoare cu reactie paralel.

Fig.21 - tipuri de reactie

ANEXA 1

Protectia muncii

ANEXA 2

Schema electronica a comenzii vocale si funtionarea acesteia

In figura este prezentata schema electronica a comenzii. Ea poate aplica instantaneu, prin intermediul releului, tensiunea motorului de casetofon (acesta fiind deja pus in pozitia inregistrare), in momentul in care un semnal de joasa frecventa (audio) este aplicat la intrare, acesta fiind legata la punctul cald al potentiometrului de volum al aparatului. Rezistenta semireglabila R5 de 25 kΩ se ajusteaza pana la obtinerea unei sensibilitati maxime a montajului, apoi putandu-se inlocui cu o rezistenta echivalenta fixa. Ulterior sensibilitatea globala a montajului se regleaza din potentiometrul Pv de 22 kΩ. Primele doua tranzistoare au rolul de a amplifica semnalul. Inaintea ultimului etaj, dioda D1 redreseaza semnalul, plusul fiind in baza tranzistorului T3 si deschizandu-l. Acesta, la randul sau, anclanseaza releul Rel, care actioneaza asupra inchiderii circuitului motorului de casetofon, pornind astfel inregistrarea. Releul trebuie sa fie de 12V, iar tranzistoarele obisnuite, din gama BC.