ETAJE DE IESIRE ALE AMPLIFICATOARELOR OPERATIONALE

ETAJE DE IESIRE ALE AMPLIFICATOARELOR OPERATIONALE

1. Scopul lucrarii

In aceasta lucrare se studiaza o serie de etaje de iesire ale amplificatoarelor operationale. Se determina prin rezultate experimentale unele dintre caracteristicile acestor etaje de iesire

2. Consideratii teoretice

Amplificarea unui circuit integrat consta in a transforma un semnal de amplitudine mica aplicat la intrare intr-un semnal cu o amplitudine mai mare, avand aceiasi forma de variatie cu cea a semanlului aplicat la intrare.

Etajele de iasire ale amplificatoarelor pot functiona in mai multe clase, cum ar fi:

Clasa A in care tranzistorul conduce toata perioada semnalului;

Clasa B in care un tranzistor conduce pe frontul pozitiv iar altul pe frontul negativ; . Clasa AB este o imbinare a claselor A si B;

Clasa D care reprezinta o categorie speciala; in acest caz tranzistoarele lucreaza in comutatie.

Caracteristica de transfer a unui amplificator reprezinta dependenta valorii instantanee a semnalului de iesire fata de valoarea instantanee a semnalului de intrare la o variatie sinusoidala a acestuia. In zona de tensiuni mici variatia este liniara, in schimb pentru valori mari apare o saturatie a marimii de iesire. Acest lucru se datoreaza comportarii neliniare a dispozitivelor semiconductoare la semnal mare, care duce la aparitia distorsiunilor de neliniaritate prin prezenta unor armonici in semnalul de iesire.

Caracteristica de frecventa reprezinta variatia amplificarii cu frecventa. In cazul unui amplificatorul ideal amplificarea este constanta in domeniul frecventa. In cazul unui amplificator real amplificarea este constanta numai intr-un domeniu de frecvente, numit banda de frecvente a amplificatorului. Ea este delimitata de frecventele limita inferioara f_j si superioara f_i, definite la o scadere a amplificarii de 3 dB. Abaterea caracteristicilor de frecventa fata de forma ideala conduce la aparitia distorsiunilor liniare de amplitudine si faza.

Etaj de iesire in clasa A

Cel mai utilizat etaj de iesire in clasa A este repetorul pe emitor. Acesta asigura o rezistenta de iesire foarte mica permitand cuplarea directa a sarcinii si prezinta un grad redus de distorsiuni. In Fig. 1 se prezinta schema unui repetor pe emitor.

Functionarea circuitului este urmatoarea: semnalul provenit de la generatorul de semnal este aplicat la intrarea amplificatorului. Pentru ca amplificatorul sa functioneze corect trebuie compensata tensiunea de deschidere a tranzistorului T₁, prin suprapunerea la tensiunea U_in a unei componente continue egala cu U_BE. Relatia intre tensiunea de intrare si cea de iesire este:

Acest tip de amplificator este un amplificator de curent, amplificara lui in tensiune fiind egala cu unitatea. El "repeta" la iesire tensiunea aplicata la intrare. De aici si numele de repetor pe emitor.

Amplificatorul de putere in clasa A asigura o reproducere fidela a semnalului in sarcina, dar cu un randament scazut, ceea ce determina o putere disipata de elementul de putere mare in comparatie cu puterea utila.

Etaj de iesire in clasa B

Fata de etajele de iesire in clasa A, acest tip de etaje de iesire au un randament mai bun, un consum in lipsa semnalului de la intrare aproape nul si componenta nula la iesire.

Etajul de iesire in clasa B prezentat in Fig. 2 este un etaj in contratimp construit cu ajutorul a doua tranzistoare complementare T₁ si T₂.

Tranzistorul T₁ conduce pe semiperioada pozitiva, iar tranzistorul T₂ conduce pe durata semiperioadei negative a semnalului aplicat la intrare. Caracteristica de transfer a acestui circuit este prezentata in Fig. 3(a).

Etajele de iesire in clasa B genereaza distorsiuni tipice numite distorsiuni de trecere (Fig. 3.b), care apar la trecerea prin zero a semnalului de la intrare si au drept cauza blocarea etajului de intrare pentru valori ale tensiunii de iesire in intervalul ( 0.6V, +0.6V). Amplificatorul de putere in clasa B in contratimp este caracterizat printr-un randament ridicat, ceea ce inseamna o buna utilizare a tranzistoarelor de putere. Dezavantajul acestui amplificatorul il constituie faptul ca semnalul in sarcina este distorsionat, in principal, datorita caracteristicii de transfer neliniare.

3. Desfasurarea lucrarii

Etaje de iesire in clasa A

In Fig. 4 este prezentata schema amplificatorului in clasa A studiat. Circuitul realizat cu ajutorul componentelor T₂, D₁, R₃ are rolul de a realiza o sursa de curent constant. Rezistentele R₁ si R₂ realizeaza un divizor de tensiune in baza tranzistorului T₁, divizor ce asigura polarizarea corecta a tranzistorului T₁.

Se efectueaza urmatoarele:

a)      Se trece comutatorul K₁ de pe montaj in pozitia 2.

b)      Se alimenteaza montajul cu 5 V de la o sursa dubla de tensiune.

Atentie! Nu depasiti valoarea indicata a tensiunii de alimentare, deoarece pe perioade lungi de timp tranzistoarele se pot supraincalzi !

c)      Se aplica la intrare un semnal cu o amplitudine de 1,5 V si o frecventa de 1 kHz.

d)      Se vizualizeaza cu ajutorul unui osciloscop tensiunea de la intrarea montajului si cea de la iesirea lui. Se remarca diferentele care apar. Sa se explice cauza de aparitie a acestora.

Se deseneaza oscilogramele tensiunilor de intrare si de iesire.

e)      Se comuta comutatorul K₁ in pozitia 1. In acest moment, iesirea circuitului este trecuta printr-un condensator (C₂) care are rolul de a elimina componenta continua de la iesirea amplificatorului.

f)        Se masoara cu ajutorul unui ampermetru curentul absorbit de tranzistorul T₁ in absenta semnalului de la iesire. Ce se constata?

g)      Calculati puterea absorbita de etajul final in absenta tensiunii de intrare.

Etaje de iesire in clasa B

In Fig. 5 se prezinta schema etajului de iesire in clasa B studiat.

Se efectueaza urmatoarele:

a)      Se trece comutatorul K₂ in pozitia 2 (prin intermediul lui K₂ sunt selectate montajele din Fig. 5 si 6).

b)      Se alimenteaza montajul cu 8 V.

c)      Se aplica la intrarea montajului un semnal sinusoidal de frecventa 1 kHz si amplitudinea 2,5 V.

d)      Se vizualizeaza cu ajutorul unui osciloscop tensiunile de la intrarea montajului si de la iesirea lui. Ce constatati? Exista vreo diferenta intre tensiunea de la intrare si cea de la iesire? Explicati forma de unda a tensiunii obtinute la iesire.

Se deseneaza oscilogramele tensiunilor de intrare si de iesire.

e)      Cu ajutorul unui ampermetru se masoara curentul consumat de tranzistoarele T₁ si T₂ in absenta semnalului de intrare. Ce se constata fata de amplificatorul in clasa A?

f)        Se stabileste tensiunea de la intrarea montajului la 0 V. Se creste incet tensiunea pana se observa cea mai mica variatie posibila a tensiunii de iesire. Se masoara valoarea tensiunii de la intrare. Ce puteti spune despre comportamentul circuitului pentru valori ale tensiunii de intrare intre 0V si valoarea masurata?

Pentru a elimina distorsiunile de trecere, cele doua tranzistoare T₁ si T₂ trebuie sa lucreze tot timpul in zona activa a caracteristicii lor. Acest lucru se realizeaza prin modificarea punctului static de functionare (PSF) al celor doua tranzistoare. Astfel, prin introducerea a doua diode D₁ si D₂, cele doua tranzistoare sunt tot timpul in zona activa a caracteristicii lor (v. Fig. 6).

Grupul de componente T₃, D₃, R₁ au rolul de a asigura curentul de polarizare necesar diodelor D₁ si D₂.

Tranzistoarele T₁ si T₂ conduc fiecare pe durata unei semiperioade a semnalului aplicat la iesire. Consideram ca semnalul de intrare este sinusoidal u_i = U_imsin(2pft). Rezulta ca semnalul de iesire este tot sinusoidal u_o = U_omsin(2pft). Curentul absorbit de la sursa de alimentare este dat de expresia:

Curentul i_c1 este curentul absorbit de la sursa pozitiva de alimentare, iar curentul i_c2 este curentul absorbit de la sursa negativa de alimentare. Ei sunt egali ca valoare si sunt absorbiti doar pe o semiperioada a semnalului de la intrare.

Puterea medie absorbita de etajul de iesire de la ambele surse de tensiune este:

Puterea medie pe sarcina R_s in regim sinusoidal este:

Randamentul etajului de iesire este:

Randamentul maxim se obtine atunci cand U_om U_alim

Pentru a studia functionarea acestui montaj:

a)      Se trece comutatorul K₂ in pozitia 1.

b)      Se alimenteaza montajul cu 8 V de la o sursa dubla de tensiune.

c)      Se aplica la intrarea montajului un semnal sinusoidal de frecventa 1 kHz si amplitudine 3 V.

d)      Se vizualizeaza cu ajutorul unui osciloscop tensiunea de la intrarea montajului si cea de la iesirea lui. Ce constatati? Exista vreo diferenta fata de schema precedenta?

Se deseneaza oscilogramele tensiuniilor de intrare si de iesire.

e)      Se masoara cu ajutorul unui ampermetru curentul consumat de tranzistoarele T₁ si T₂ in absenta semnalului de intrare. Ce se constata fata de valoarea obtinuta in cazul amplificatorului studiat anterior?

f)        Deduceti expresia randamentului si determinati randamentul maxim al montajului in regim sinusoidal.

g)      Se determina banda de frecvente a amplificatorului.

Intrebari:

1. Care dintre amplificatoarele prezentate au cel mai bun randament si de ce ?

2. Care tip de amplificator are distorsiunile cele mai mici ?

3. Care dintre amplificatoarele prezentate au cea mai mare excursie a tensiunii de la iesire ?