AMPLIFICATOARE

NOŢIUNI GENERALE

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 electrică, amplificare magnetică, amplificare electromagnetică şi amplificare electronică.

Amplificarea electrică se bazează pe proprietăţi electrice de material, de exemplu amplificarea în tensiune obţinută într-un circuit serie format dintr-o impedanţă şi o diodă cu capacitate variabilă comandată cu o tensiune. Prin variaţia capacităţii diodei poate să rezulte o variaţie mare de tensiune la bornele impedanţei.

Ampificarea magnetică se realizează utilizând în circuite 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 şi se pot obţine variaţii mari de tensiune pe o impedanţă conectată în serie.

Ampilificarea 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 la acţionarea cu motoare electrice sau direct, la acţionarea cu motoare termice.

Amplificarea electronică se obţine pe baza modificării intensităţii unui curent de electroni în vid (în tuburi electronice) prin variaţia tensiunilor la electrozii de comandă (grile).

În circuitele de amplificare se realizează procesul de amplificare, adică se reproduce la ieşire sub formă amplificată puterea sau o mărime ce intră ca factor în expresia puterii instantanee, folosind energia surselor de alimentare (polarizare).

Tranzistoarele sunt considerate în circuite electronice ca dispozitive active (surse active), în sensul că pot comanda puterea absorbită de la sursele de alimentare ca răspuns la acţiunea semnalului de intrare, asigurând sarcinii utile o putere mai mare decât cea debitată de sursa de semnal de la intrare.

Prin componente pasive înţelegem bobinele, condensatoarele şi rezistoarele de rezistenţă pozitivă ce nu pot asigura amplificarea de putere, deşi primele două pot înmagazina energie restituind numai o parte din aceasta datorită pierderilor interioare. De menţionat că şi tranzistoarele, în procesul amplificării, disipă o parte din puterea absorbită de la sursele de alimentare, în general surse de curent continuu.

La analiza funcţionării circuitelor de amplificare şi la elaborarea schemelor echivalente trebuie făcută distincţia între sursele independente şi sursele active (comandate, dependente).

Sursele independente generează semnale prescrise şi sunt capabile să furnizeze unui circuit putere electrică în mod continuu, de exemplu sursele de alimentare şi sursele de semnal de intrare. Sursele dependente de curent sau tensiune caracterizează tranzistoarele în schemele echivalente şi mărimea lor depinde de semnalul de comandă de la intrare.

În amplificatoarele reale semnalele sunt distorsionate, adică forma de undă a semnalului de 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 la forma de undă a semnalelor de intrare, încât distorsiunile să fie minime. În această categorie sunt cuprinse caracteristicile de regim permanent (staţionar) şi anume de frecvenţă, de fază, de transfer şi caracteristicile tranzitorii care dau răspunsul amplificatorului în domeniu timp, la anumite forme de undă la intrare.

1

Caracteristicile staţionare, deşi nu dau direct detaliile schimbării formelor de undă, permit să aprecieze în ce domeniu de frecvenţă trebuie să fie spectrul semnalului pentru ca distorsiunile să nu depăşească anumite limite;

- 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 aplica la intrare. În anumite condiţii, fie datorită circuitelor de reacţie prevăzute, fie datorită unor cuplaje parazite, este posibil ca amplificatorul sa autooscileze; prin studii de stabilitate se apreciază limitările ce trebuie respectate pentru ca amplificatorul să fie stabil;

- sensibilitatea amplificatoarelor la zgomotele exterioare se studiază experimental şi sunt o serie de metode pentru execuţia amplificatoarelor, astfel încât influenţa acestora să se reducă cât mai mult posibil;

- zgomotele interne ale amplificatoarelor limitează posibilitatea amplificării semnalelor slabe, la intrare semnalul util trebuind să fie mai mare decât zgomotul echivalent, impunându-se un anumit raport semnal/zgomot;

- structura internă a amplificatoarelor, numărul de etaje, natura circuitelor de cuplaj între etaje, natura dispozitivelor active şi regimul de funcţionare al acestora.

Este important ca valorile unor parametri sau forma unor caracteristici să se modifice cât mai puţin la schimbarea componentelor, la variaţia surselor de alimentare sau a condiţiilor de mediu.

CARACTERISTICI GENERALE ALE AMPLIFICATOARELOR

Amplificatoarele electronice sunt circuite cu foarte multe aplicaţii în practică. Se întâlnesc amplificatoare atât în aparate de măsură de laborator şi industriale, cum ar fi: multimetre, osciloscoape, pH-metre, conductivmetre, înregistratoare etc., cât şi în aparatura electronică de telecomunicaţii sau bunuri de larg consum. Această gamă foarte întinsă de aplicaţii a generat realizarea de amplificatoare cu performanţe foarte diferite, bazate pe tehnologii diferite şi, bineînţeles, având costuri diferite în funcţie de destinaţie şi performanţe.

Definirea amplificatoarelor Pentru a defini clasa de circuite electronice numite amplificatoare, este necesară precizarea

câtorva noţiuni. Orice amplificator are două borne de intrare şi două borne de ieşire. Cele două mărimi care caracterizează intrarea în amplificator sunt tensiunea şi curentul de intrare (perechea de valori ui şi ii). Cele două mărimi care caracterizează ieşirea din amplificator sunt tensiunea şi curentul de ieşire (uo, io). Mărimile de ieşire sunt dependente de cele de intrare.

Trebuie precizat însă că nu întotdeauna ambele variabile, tensiunea şi curentul, sunt luate în considerare la utilizarea unui amplificator. Există cazuri când contează la intrare numai tensiunea, sau numai curentul, sau puterea aplicată la intrarea amplificatorului, iar acest lucru se poate întâmpla privind şi ieşirea amplificatorului. Aceasta înseamnă că deşi intrarea sau ieşirea amplificatorului este caracterizată prin perechea de mărimi tensiune-curent, accentul din punct de vedere al semnalului util aplicat la intrare sau dorit la ieşire cade numai asupra uneia dintre ele.

De altfel, cele două mărimi, tensiune şi curent de intrare sau ieşire sunt legate între ele prin structura amplificatorului sau a sarcinii conectate la ieşirea acestuia.

2

vg ui uo

ii ioRg

RsAmplificator

Figura 1.1Vom defini deci ca amplificator un circuit electronic având patru borne (cuadripol), două

borne de intrare şi două borne de ieşire, caracterizat la intrare prin perechea de mărimi ui, ii şi la ieşire – prin perechea uo, io, 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 1.1, stabilirea unor valori pentru mărimile de la intrarea sa determină în mod univoc mărimile de la ieşire şi, reciproc, unei perechi (uo, io) îi corespunde o pereche (ui, ii) ; o reprezentare simplificată a acestei afirmaţii se obţine dacă considerăm că la intrare semnalul este tensiunea u i, iar semnalul de ieşire este tensiunea u0. Dependenţa între aceste două mărimi este o funcţie u0(ui) biunivocă.

- 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 la ieşire este mai extins decât la intrare.

Se precizează că semnalul de intrare poate fi de tip tensiune, iar semnalul de ieşire poate fi de tip curent, sau invers.

Clasificarea amplificatoarelor La clasificarea amplificatoarelor se consideră diferite criterii care se referă la domeniul

frecvenţei semnalelor care pot fi prelucrate, structura schemelor amplificatoarelor şi natura elementelor din scheme, regimurile particulare de funcţionare ale elementelor active, natura mărimii amplificate, nivelul semnalelor etc., fără a exista între diferite clasificări o delimitare precisă. a) Din punctul de vedere al felului semnalelor pe care le amplifică, amplificatoarele pot fi:- amplificatoare de curent continuu (c.c.), care pot amplifica semnale cu variaţie în timp oricât de lentă, ajungând chiar până la frecvenţa zero (curent, tensiune continuă) şi a căror frecvenţă minimă nu este limitată, ea depinzând de aplicaţie; - amplificatoare de curent alternativ (c.a.), care pot amplifica numai semnale variabile în timp; sub o frecvenţă limită minimă, semnalul nu mai poate fi amplificatb) Din punctul de vedere al domeniului frecvenţei semnalului, amplificatoarele se clasifică în:- amplificatoare audiofrecvenţă, cu banda de la zeci de Hz la zeci de kHz, considerate în clasa amplificatoarelor de joasă frecvenţă;- amplificatoare de videofrecvenţă (amplificatoare trece-jos), cu banda de la 20 Hz la 30 MHz, a căror denumire a fost dată după semnalul video din televiziune;- amplificatoare de radiofrecvenţă, ce sunt destinate pentru semnale cu frecvenţa mai mare de 100 kHz şi au mai multe subdiviziuni.c) Din punctul de vedere al lăţimii benzii de frecvenţă amplificatoarele de c.a. se împart în:- amplificatoare de bandă îngustă, la care spectrul semnalului este concentrat într-o bandă îngustă în jurul unei anumite frecvenţe (se folosesc - amplificatoare de bandă largă, la care spectrul semnalului este întins, ocupând o lărgime de bandă apreciabilă (cuprind amplificatoarele de audiofrecvenţă şi amplificatoarele de videofrecvenţă).d) Din punctul de vedere al sarcinii conectate la ieşirea elementului activ întâlnim:- amplificatoare aperiodice cu sarcini neselective - amplificatoare acordate (selective), care folosesc ca sarcină circuite rezonante LC.

În grupa amplificatoarelor aperiodice se încadrează amplificatoarele de audiofrecvenţă, videofrecvenţă, inclusiv cele de bandă largă din osciloscoapele catodice, cu banda mai mare de 500 MHz. La amplificatoarele selective, banda îngustă se obţine pe seama răspunsului circuitului rezonant.

3

e) Din punctul de vedere al cuplajului dintre etaje avem:- amplificator cu cuplaj de c.c. (direct, rezistiv, prin diodă Zener);

- amplificator cu cuplaj RC;- amplificator cu cuplaj LC;- amplificator cu cuplaj realizat cu transformator cu miez;- amplificator cu cuplaje realizat cu circuite rezonante LC de diferite tipuri;- amplificator cu cuplaj optic.f) După tipul etajelor de amplificare, amplificatoarele se pot divide în:- etaje asimetrice, cazul unui etaj simplu cu un tranzistor - etaje simetrice, cum ar fi: etaje în contratimp, etaj diferenţial sau cascodă.g) După poziţia punctului static de funcţionare, etajele de amplificare se clasifică după cum urmează: - etaj de amplificare clasă A;- etaj de amplificare clasă B;- etaj de amplificare clasă AB;- etaj de amplificare clasă C;- etaj de amplificare clasă D;- etaj de amplificare clasă S.h) După natura mărimii de interes de la ieşirea amplificatoarelor, acestea se grupează în:- amplificatoare de tensiune;- amplificatoare de curent;- amplificatoare de putere. i) După nivelul semnalului şi putere se disting următoarele tipuri de amplificatoare:- amplificatoare de semnal mic, în care este posibilă elaborarea schemelor echivalente de analiză folosind modelele dispozitivelor active pentru semnale mici presupuse cu parametri constanţi şi anume cu valorile determinate în punctul static. Este evident că în regim de semnal mic mărimile de terminal ale dispozitivelor active trebuie să se schimbe foarte puţin faţă de valorile de punct static, altfel parametrii variază cu nivelul semnalului (de exemplu panta gm= 40∙|Ic| la un tranzistor bipolar). Etajele de amplificare şi aceste amplificatoare sunt liniare. - amplificatoare pentru semnale mari, în care se consideră limitări determinate de puterea disipată de dispozitivul activ, distorsiunile semnalului, valorile maxime posibile pentru curenţii şi tensiunile de intrare sau ieşire, temperatură etc. Aici se încadrează etajele de amplificare asimetrice care lucrează, de obicei, în clasă A şi etajele în contratimp care pot lucra în clasă A, AB sau B. Trebuie făcută distincţie între regimul clasă A al unui etaj şi regimul liniar (de semnal mic).- amplificatoarele de putere cuprind în general etajele selective de putere în care dispozitivele active lucrează în regim neliniar, urmărindu-se să se obţină o putere de c.a. şi un randament cât mai mare. Din această grupă sunt excluse etajele de ieşire de audiofrecvenţă, care sunt aperiodice şi sunt studiate în multe lucrări la amplificatoare de putere. Amplificatoarele (etajele) selective de putere lucrează în clasă C, S şi D. În clasă C, dispozitivul activ are o sursă de polarizare în circuitul de intrare care-l ţine blocat, exceptând intervalele scurte la vârful uneia din alternanţele semnalului sinusoidal de intrare, când asigură impulsuri mari de curent de durată scurtă. Randamentul poate ajunge până la 80%. La amplificatorul clasă S, sarcina utilă este inclusă într-un circuit rezonant serie RLC la bornele căruia sursa de alimentare de c.c. se aplică îndurate egale cu polaritate inversată. Circuitul rezonant trebuie acordat pe frecvenţa impulsurilor dreptunghiulare simetrice care comandă comutarea sursei. Randamentul amplificatoarelor clasă S se apropie de 100%. Regimul clasă D se referă la amplificatoare care lucrează în impulsuri. Semnalul de intrare este transformat după un anumit cod în trenuri de impulsuri, ce sunt amplificate cu randament ridicat; la ieşire, utilizându-se filtre adecvate, se reproduce cu o anumită eroare forma de undă de la intrare. j) După tipul componentelor utilizate la realizarea amplificatoarelor, se deosebesc:- amplificatoare cu tuburi electronice;- amplificatoare cu tranzistoare;

4

- amplificatoare cu circuite integrate de putere;- amplificatoare cu circuite hibride;

- ampli-ficatoare cu tranzistoare IGBT.

ObservaţiiTranzistorul IGBT reprezintă un dispozitiv semiconductor a cărui tehnologie de fabricaţie a

fost elaborată în anii ’80. Acesta combină simplitatea comenzii şi timpii excelenţi de comutaţie ai tranzistorului MOSFET cu capabilitatea mare de lucru în curent şi tensiune mare a tranzistorului bipolar.

Simbolul, schemele echivalente şi comutaţia sunt prezentate în figura 1.2.

Figura 1.2Tranzistorul IGBT are trei terminale: G – poartă; E – emitor; C – colector. Schema electrică

este o pseudoconexiune Darlington formată dintr-un tranzistor MOSFET de intrare şi un tranzistor bipolar de tip pnp. Comanda tranzistorului IGBT se face în acelaşi mod ca la tranzistorul MOSFET. Dacă tranzistorul este comandat cu impuls UGE circuitul de comandă debitează curenţi de scurtă durată (şi deci putere) la începutul şi sfârşitul impulsului care încarcă/descarcă capacitatea de intrare a tranzistorului.

Utilizarea unor componente discrete ca tranzistoare, diode, rezistoare etc., chiar sub formă miniaturizată, implică un număr mare de elemente electronice conţinute într-o instalaţie electronică complexă şi respectiv un număr mare de conexiuni şi lipituri, fapt care duce la scăderea fiabilităţii aparaturii respective. Problema reducerii numărului de componente şi a conexiunilor dintre ele a fost rezolvată prin apariţia şi folosirea pe scară largă a circuitelor integrate, care au condus la creşterea fiabilităţii sistemelor electronice şi la un grad înalt de miniaturizare. Cele mai folosite circuite integrate sunt circuitele integrate semiconductoare de tip monocip, în care elementele microcircuitului sunt realizate în interiorul unui mic monocristal semiconductor („cip”), de obicei din siliciu. Dimensiunile cipului depind de numărul de componente incluse în circuitul integrat, variind între 1,25 mm2 şi 5 – 10 mm2. Cipul care conţine circuitul integrat se fixează pe un suport cu electrozi de ieşire (denumiţi „pini”), iar după realizarea conexiunilor între schemă şi pini, prin intermediul unor fire subţiri de aur, întregul ansamblu se încapsulează într-o capsulă din material plastic sau mai rar, metalică.

Circuitele hibride sunt o combinaţie între circuitele integrate monocip, tranzistoare, diode şi circuitele cu straturi subţiri (elementele componente pasive - rezistoare, condensatoare, bobine - şi conexiunile dintre ele sunt realizate sub formă de straturi subţiri depuse pe suporţi dielectrici – sticlă, ceramică etc.). Deşi elementele active folosite nu au corp protector, întregul circuit hibrid este încapsulat, de obicei, într-un corp unic.

Zgomote electrice în amplificatoare

Un amplificator fără semnal de intrare nu are ieşirea zero. Semnalul de ieşire în acest caz are un caracter fluctuant cu variaţii întâmplătoare, constituind semnalul de zgomot cu caracter perturbator. La un amplificator de audiofrecvenţă ascultat în difuzor sau căşti, zgomotele apar sub forma unor fâşâituri, trosnituri etc.. Semnalul de zgomot la ieşire poate fi oscilografiat sau măsurat cu un voltmetru şi se consideră, ca efect echivalent, cu generatoare de curent sau tensiune la intrare, tot cu caracter fluctuant, care amplificate ca şi semnalul util dau acelaşi nivel de zgomot. Semnalul

5

G

C

E

G

C

E

G

C

T2

UGE

IG

IC

T1

T2

E

util de la ieşirea amplificatorului trebuie să fie mai mare decât semnalul de zgomot, astfel încât să poată fi utilizat, impunându-se un anumit raport semnal/zgomot.

Condiţionat de raportul semnal/zgomot impus la ieşire, apar şi la intrare restricţii în privinţa mărimii semnalului util faţă de cel de zgomot. Cu creşterea amplificării se poate obţine la ieşire acelaşi nivel cu semnale de intrare tot mai mici, până când semnalul de intrare comparabil cu zgomotele, se „îneacă” în acestea, nemaiputând să fie identificat la ieşire. Valoarea maximă a amplificării este deci limitată de zgomote.

Zgomotele pot fi exterioare amplificatorului sau introduse de acesta. O sursă de zgomot exterioară tipică este reţeaua electrică de frecvenţă industrială. Aceasta

poate perturba un amplificator prin sursele de alimentare ale acestuia şi prin radiaţia electromagnetică a unor consumatori puternici.

Zgomotul provocat de reţeaua de alimentare, numit obişnuit brum, se reduce la amplificatoarele de calitate folosind la ieşirea redresoarelor filtre cu celule multiple şi stabilizatoare cu factori de rejecţie mari ai reziduurilor de filtrare.

Etajele de la intrarea amplificatorului pot fi perturbate şi de radiaţia transformatorului redresorului şi a etajelor de ieşire, motiv pentru care se recurge la ecranarea pe subansambluri în interiorul amplificatorului.

Ecranele se execută uneori cu straturi multiple din metale cu înaltă permeabilitate magnetică, alternând cu metale de conductivitate mare pentru a fi eficiente atât la joasă, cât şi la înaltă frecvenţă. Există o întreagă strategie pentru utilizarea conexiunilor ecranate interioare, alegerea traseelor plăcilor imprimate şi modul de conectare şi dispunere a aparatelor de măsură, acestea din urmă putând şi ele să producă perturbaţii.

Zgomotele anormale importante mai pot fi produse de componente de proastă calitate (rezistenţe, condensatoare, bobine, transformatoare, dispozitive active), de lipituri şi contacte proaste etc. La amplificatoarele de joasă frecvenţă sunt deosebit de importante soluţiile constructive pentru reducerea efectului microfonic, evitându-se la minim vibraţiile posibile pentru amplificator şi elementele critice interioare.

Amplificatoare inversoare şi neinversoare

Figura 1.3Bornele 1 şi 2 sunt bornele de intrare în amplificator, iar bornele 3 şi 4 sunt borne de ieşire.

Tensiunea de intrare în amplificator este uin, măsurată între cele două borne de intrare. În anumite situaţii este convenabil să se precizeze tensiunea de intrare u in prin cele două

tensiuni ui+ şi ui

- faţă de borna de referinţă a tensiunilor, care poate să nu coincidă cu nici una dintre bornele de intrare. Pentru această situaţie uin = ui

+ - ui-. Tensiunea de ieşire din amplificator este

dependentă de tensiunea de intrare ui şi deci de diferenţa ui+ - ui

-. În cazul în care nici una dintre bornele de intrare nu este conectată la borna de referinţă (masă), spunem că intrarea amplificatorului este diferenţială. În cazul când una dintre bornele de intrare este conectată la referinţă, avem următoarele situaţii:- borna 2 conectată la masă:

- uin = ui+ şi tensiunea de ieşire din amplificator va depinde numai de tensiunea aplicată la

borna 1. Această intrare se numeşte intrarea neinversoare a amplificatorului (tensiunea de ieşire din amplificator, în cazul unui semnal sinusoidal aplicat la intrare, va fi tot un semnal sinusoidal în fază cu intrarea);- borna 1 conectată la masă:

6

1

uin

2

3

4

5 5ui

+

ui-

uo

uo1

uo2

+

-

- uin = -ui- şi tensiunea de ieşire din amplificator va depinde numai de tensiunea aplicată la

borna 2, dar cu semn schimbat. Din această cauză borna 2 se numeşte intrarea inversoare a amplificatorului (tensiunea de ieşire din amplificator, în cazul unui semnal sinusoidal aplicat la intrare, va fi un semnal sinusoidal defazat cu 180º faţă de primul, adică în antifază cu intrarea).

Bornele de ieşire ale amplificatorului (3,4), de asemenea, pot avea sau nu legătură cu borna de referinţă. De cele mai multe ori borna 4 reprezintă şi borna de referinţă, caz în care uo = uo1. Acesta este cazul amplificatorului la care sarcina are un punct la masă. În cazurile în care bornele de ieşire nu au un punct comun cu masa, amplificatorul se numeşte cu ieşire diferenţială, întrucât în acest caz uo = uo1 – uo2.

Parametrii amplificatoarelor

Cunoaşterea semnificaţiei parametrilor unui amplificator este necesară în vederea interconectării acestuia în circuitul semnalului care trebuie amplificat. Parametrii unui amplificator pot fi împărţiţi în trei categorii:

- parametri de intrare;- parametri de ieşire;- parametri de transfer.

Parametrii de intrarea) Gama de tensiuni ce se pot aplica la intrare – reprezintă domeniul de valori pe care le pot lua

tensiunile de intrare ui+ şi ui

-, în aşa fel ca amplificatorul să nu se distrugă sau ca funcţionarea sa să corespundă altor parametri specificaţi de producător (distorsiuni, amplificare).

b) Impedanţa de intrare în amplificator – caracterizează încărcarea pe care o produce intrarea amplificatorului asupra sursei de semnal, el fiind determinat de raportul dintre tensiunea şi curentul absorbit de intrarea amplificatorului. Impedanţa de intrare este dată de raportul:

Parametrii de ieşirea) Gama de tensiuni de ieşire reprezintă domeniul de valori pe care le poate lua tensiunea de

ieşire din amplificator. Tensiunea de ieşire este limitată automat de amplificator în acest domeniu. Pentru valori ale tensiunii de ieşire cuprinse în domeniul specificat de producător, amplificatorul nu distorsionează semnalul de intrare aplicat şi funcţionarea amplificatorului este corectă.

b) Gama de curenţi de ieşire reprezintă domeniul de valori pe care le poate avea curentul la ieşire. În general acest domeniu este specificat prin valoarea maximă a curentului de ieşire. Conectarea unei rezistenţe de sarcină care să determine un curent mai mare decât această valoare poate duce la distrugerea amplificatorului, dacă acesta nu este prevăzut cu circuite de protecţie la suprasarcină.

c) Impedanţa de ieşire a amplificatorului este valoarea impedanţei interne echivalente din punctul de vedere al ieşirii amplificatorului. Cunoaşterea ei permite prezentarea părţii de ieşire a schemei echivalente pentru un amplificator.

d) Puterea maximă la ieşire este un parametru care se specifică în cazul amplificatoarelor de putere. El reprezintă valoarea maximă a puterii ce poate fi debitată într-o sarcină conectată la ieşirea amplificatorului. Trebuie menţionat că această putere se obţine numai în anumite condiţii, care se specifică la precizarea puterii maxime, condiţii legate de valoarea sarcinii, valoarea tensiunii de alimentare şi frecvenţa la care se măsoară.

Parametrii de transfera) Factorul de amplificare reprezintă raportul dintre variaţia de semnal produsă la ieşire şi

variaţia de semnal produsă la intrare. Variaţia de semnal de ieşire este produsă de cea de la intrare. Cum în multe cazuri, la intrare se aplică un semnal sinusoidal, semnalul de ieşire va fi tot sinusoidal,

7

parametrul factor de amplificare fiind definit numai pentru amplificatoarele liniare. Raportul amplitudinilor semnalelor sinusoidale de ieşire şi intrare reprezintă factorul de amplificare sau amplificarea montajului. În general, comportarea amplificatorului este diferită în funcţie de frecvenţa semnalului aplicat.

Această dependenţă de frecvenţă face necesară introducerea unui nou parametru, numit lărgime de bandă – diferenţa fmax – fmin.

b) Caracteristica de transfer reprezintă corespondenţa dintre tensiunea de ieşire şi cea de intrare. Acest parametru este util în cazul amplificatoarelor neliniare, când factorul de amplificare este dependent de tensiunea de intrare şi nu mai poate constitui un parametru care să descrie amplificatorul. Factorul de amplificare poate fi definit numai într-un punct de funcţionare, într-o zonă limitată în jurul acestuia.

c) Caracteristica de amplitudine şi de fază a amplificatorului reprezintă variaţia cu frecvenţa a modulului factorului de amplificare sau transfer şi respectiv variaţia argumentului acestuia cu frecvenţa.

În general, aceste caracteristici cuprind o zonă, numită zona frecvenţelor medii, în care factorul de amplificare rămâne practic constant cu frecvenţa. Această valoare a factorului de amplificare se numeşte amplificare la frecvenţe medii.

Se numeşte frecvenţă limită inferioară fmin frecvenţa la care factorul de amplificare scade la

din valoarea sa la frecvenţe medii. Această valoare corespunde unei reduceri a puterii

semnalului debitat la ieşire la 50% din puterea pe care o poate debita amplificatorul la frecvenţe medii. Analog se defineşte şi frecvenţa limită superioară fmax. Diferenţa dintre frecvenţa limită superioară şi frecvenţa limită inferioară reprezintă lărgimea de bandă a amplificatorului. Intervalul de frecvenţe cuprins între fmin şi fmax reprezintă banda amplificatorului. Se consideră că semnalele de intrare având frecvenţe în interiorul benzii sunt amplificate corect. Semnalele din afara benzii sunt considerate ca fiind neamplificate.

d) Factorul de distorsiuni caracterizează funcţionarea amplificatoarelor de putere. La aplicarea unui semnal sinusoidal la intrarea unui amplificator se va obţine la ieşirea

acestuia un semnal format din sinusoida de la intrare amplificată şi componente sinusoidale armonici ale frecvenţei de intrare, datorate neliniarităţilor caracteristicii de transfer a amplificatorului.

Se defineşte ca factor de distorsiuni raportul dintre puterea armonicilor la ieşirea amplificatorului şi puterea fundamentalei (a semnalului de frecvenţă egală cu cea aplicată la intrare), exprimat în procente. Dacă la intrare se aplică semnalul uε(t) = Uε · sin ωt şi la ieşire rezultă:

u0(t) = U0 sin ωt + U sin 2ωt + U sin 3ωt + ...factorul de distorsiune va fi: =

.Trebuie de menţionat că factorul de distorsiuni este funcţie nu numai de puterea la ieşire, ci

şi de frecvenţă.

ETAJE DE AMPLIFICARE CU TRANZISTOARE

Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiune colector-comun (repetor pe emitor)Etajul de amplificare cu tranzistorul în conexiunea CC este prezentat în figura 2.1.

8

Figura 2.1Divizorul rezistiv din bază precum şi rezistenţa din emitorul tranzistorului contribuie la

polarizarea corectă a acestuia şi la stabilizarea punctului static de funcţionare în raport cu variaţiile de temperatură sau dispersia parametrilor tranzistorului. Schema de curent alternativ este prezentată în figura 2.2 în care am considerat că toate condensatoarele se comportă ca nişte scurtcircuite în regim dinamic pentru orice frecvenţă din banda de lucru.

Figura 2.2Rezistenţa de intrare în tranzistor este:

Dar avem:

Deci: .

Valoarea rezistenţei de intrare în tranzistor este foarte mare, de ordinul a câteva sute de kiloohmi.

Rezistenţa de intrare în etaj va fi:

Deoarece «

.

Deci rezistenţa de intrare a etajului va fi şuntată de valoarea rezistenţei R B. Deoarece valoarea acestei rezistenţei este de ordinul zecilor de kiloohmi se poate considera că etajul este atacat de tensiune.

Rezistenţa de ieşire din tranzistor este:

unde

Dar,

Deci,

9

R1

R2

RL

RE

RG

CE

CG

+ VCC

vg

~

T

vo

RB

RG

RE

RL

h11

h21·ibvin vo

vg

~

ig ib ioi

Valoarea rezistenţei de ieşire din tranzistor este foarte mică: zeci de ohmi. Rezistenţa de ieşire din etaj este:

Deoarece « , iar valoarea rezistenţei de ieşire din etaj este foarte mică, motiv pentru care etajul va fi considerat că are ieşirea în tensiune.

Amplificarea în tensiune a etajului este:

Deci:

Deoarece « obţinem: .Deci etajul nu amplifică în tensiune.Amplificarea în curent a etajului este:

Astfel, obţinem în final:

Deoarece şi , rezultă că

Amplificarea în curent poate fi mărită prin mărirea rezistenţei RB sau micşorarea lui RL. Putem mări RB renunţând la polarizarea tranzistorului cu ajutorul divizorului rezistiv în bază şi folosind doar o singură rezistenţă de valoare sporită, însă în acest caz creşte sensibilitatea punctului static de funcţionare la condiţiile de lucru.

Amplificarea în curent mai poate fi mărită şi prin creşterea lui RE. Putem opta pentru această soluţie dacă introducem în locul lui RE o rezitenţă neliniară care să aibă valoare mare în curent alternativ şi mică în curent continuu. O soluţie ar fi înlocuirea lui RE cu un generator de curent ca în figura 2.3.

10

R1R3

R2 R5 R4

RL

C0

Cin

voutvin

+ Vcc

T1

T2

Figura 2.3Repetorul pe emitor este folosit în general ca etaj de ieşire sau de intrare cu impedanţă de

intrare mare.AMPLIFICATOR CASCODĂ

Când se trece de la circuitele cu un singur etaj, la proiectarea amplificatoarelor cu mai multe etaje, apar posibilităţi de proiectare cu totul noi. De exemplu, putem obţine amplificări foarte mari legând în cascadă etaje cu emitorul comun (adică conectând ieşirea unui etaj la intrarea celui de-al doilea etaj), deoarece amplificarea sistemului va fi produsul amplificărilor etajelor individuale.

În figura următoare se prezintă amplificatorul cu două etaje numit „cascodă”.

Figura 3.1Tranzistorul T1 este într-o conexiune cu emitorul comun tipică, în afară de faptul că sarcina

colectorului este un al doilea tranzistor. Tranzistorul T2 este într-o conexiune bază comună şi astfel semnalul intră în emitor şi iese la colector, baza fiind menţinută la un potenţial constant de către o sursă.

Din punct de vedere al fluxului de putere continuă debitat de sursa de alimentare, cele două tranzistoare sunt în serie şi curenţii de colector Ic1 şi Ic2 sunt practic egali.

11

RS

RL

T2

T1

VB1

VB2

vi

v0

+ VCC

+

-

Se observă că tensiunea VCE1 este determinată aproape exclusiv de tensiunea aplicată bazei lui T2: VCE1 ≈ VB2

Şi astfel: VCE2 ≈ Vcc – VB2 – Ic2 · RL

Dacă reţeaua de polarizare este aleasă corect, ambele tranzistoare funcţionează în regiunea activă normală. Prin urmare, printr-o primă aproximaţie, vom putea face calculele asupra amplificării, folosind pentru tranzistoare circuite echivalente simplificate.

Figura 3.2Pentru acest circuit simplu, amplificările pot fi calculate:

AMPLIFICATOARE DE JOASĂ FRECVENŢĂ DE TENSIUNE

Amplificatoarele de joasă frecvenţă, numite şi de audiofrecvenţă, se caracterizează printr-o bandă de trecere cuprinsă între aproximativ 20 Hz şi 20 kHz.

Amplificarea realizată de un singur etaj nu depăşeşte 40...50. Pentru obţinerea unor amplificări mai mari se cuplează în cascadă mai multe etaje amplificatoare, ieşirea unui etaj fiind conectată la intrarea etajului următor. Ultimul dintre etaje, denumit etaj final, este de regulă un etaj de semnale mari, adică de putere, iar etajele care îl preced, numite şi preamplificatoare sunt etaje de semnal mic, numite şi de tensiune.

Cuplajul între etaje poate fi făcut prin rezistenţă şi capacitate (RC) sau prin transformator.

12

+VCC

vO

RL

T2

T1

VB2

RS

vi

VB1

IB1

αF2·IE2

IE2

βF1·IB1

T2T1

RCR1CC

CE R2RE

+EC

Figura 3.3

Figura 3.4În figura 2.6 este ilustrată schema celui mai folosit tip de amplificator, care are tranzistoare

în conexiunea EC, cuplajul între etaje făcându-se printr-un condensator CC, numit condensator de cuplaj, care uneşte etajele din punct de vedere al semnalelor alternative şi le separă galvanic, permiţând astfel polarizarea corespunzătoare a bazei tranzistorului din etajul al doilea.

Alegerea cu atenţie a tranzistorului din primul etaj, în cazul amplificatoarelor folosite în electroacustică, este foarte puţin importantă, deoarece acesta trebuie să aibă un zgomot cât mai mic posibil. Un nivel redus de zgomot se obţine alegând un curent de colector, corespunzător punctului static de funcţionare, cât mai mic posibil, fără ca βF să scadă prea mult.

Pentru a se obţine transfer optim de semnal de la un etaj la altul, impedanţa de intrare a etajului doi, ţinând seama de prezenţa divizorului R1R2, folosit în reţeaua de polarizare, trebuie să fie egală cu impedanţa de ieşire a primului etaj.

Întrucât impedanţa de intrare a etajului doi nu poate fi aleasă arbirar, cuplajul nu va fi optim şi deci câştigul total al amplificatorului va fi mai mic decât suma câştigurilor etajelor cuplate în cascadă. Numai în cazul cuplajului prin transformator se poate realiza condiţia adaptării optime a cuplajului între etaje.

În cazul cuplajului RC, conexiunea emitor comun asigură pierderi minime din cauza neadaptării întrucât impedanţele de intrare şi ieşire ale etajelor cuplate au valori apropiate în cazul acestei conexiuni.

Schema echivalentă a cuplajului RC este cea din figura de mai jos.

Figura 3.5La frecvenţe medii, considerând CC scurcircuitat şi CO inexistent, schema echivalentă poate fi

pusă sub forma din figura 3.6.

Figura 3.6Sarcina etajului amplificator se poate calcula cu relaţia:

RS = RC││RB ││Rin

RB = R1││R2

Rezistoarele R1 şi R2 apar în paralel pentru că sursa de curent continuu EC reprezintă aproximativ un scurtcircuit pentru semnale alternative.

13

R1

R2

T1T2

+EC

np ns

RC R1 R2 Rin CO

CC

v2v1

RS v2v1

Amplificarea în tensiune a primului etaj creşte odată cu RS. Ar fi de dorit deci să se ia RC cât mai mare. Dacă analizăm însă schema echivalentă, se observă că oricât de mare am lua RC, pentru a creşte RS, rezistenţa RS, de care depinde amplificarea în tensiune, nu poate depăşi valoarea lui R in. Practic, în acest caz nu are sens să se ia RC mai mare de 3...10 kΩ.

Se poate trage concluzia că la proiectarea amplificatorului, valoarea rezistenţei RC se deduce din condiţia de stabilire a regimului static al tranzistorului. Admiţând o cădere de tensiune pe rezistenţa de stabilizare termică din emitor

VE = RE · IC0 = 3...4 Vşi o anume tensiune de regim static

VC0 = 4...6 Vdacă IC0 este curentul de colector admis în regim static, atunci avem:

De obicei, din acest calcul rezultă că RC va avea valori cuprinse între 3 şi 10 kΩ, care satisfac simultan şi condiţia unei amplificări sufuciente. Dacă din calcul rezultă RC < 3 kΩ, înseamnă că amplificarea în tensiune scade prea mult şi este necesar să se modifice punctul static de funcţionare al tranzistorului până se obţine pentru RC o valoare suficient de mare.

AMPLIFICATOARE DE PUTERE

Există multe aplicaţii în care amplificatoarele trebuie să debiteze puteri considerabile la ieşire. Uzual, amplificatoarele audio pot debita puteri cuprinse între 1 – 100 W (dar pot ajunge şi până la 1000 W) în sarcini constituite din difuzoare.

Difuzorul este unul din cele mai răspândite traductoare electroacustice, fiind destinat transformării energiei electrice de audiofrecvenţă, în energie acustică, care se propagă în spaţiul învecinat sub formă de unde sonore. Clasificarea difuzoarelor se face după principiul de funcţionare sau varianta constructivă folosită. Se deosebesc astfel: difuzoare electromagnetice, electrodinamice, electrostatice, piezoelectrice, ionice etc.

Cel mai răspândit tip de difuzor este difuzorul electrodinamic, realizat într-o mare diversitate de forme constructive, puteri nominale sau impedanţe de intrare.

De asemenea, amplificatoarele de putere sunt necesare la comanda unor emiţătoare de ultrasunete sau a unor motoare electrice în diverse sisteme de automatizări.

În general, un amplificator de putere conţine cel puţin trei etaje:- etajul final, care realizează cea mai mare parte a amplificării de putere: dispozitivele utilizate

la realizarea acestui etaj sunt capabile să debiteze curenţi de valori mari şi cu puteri disipate admise ajungând până la 100 W;

- etajul de comandă (driver) a etajului final, având rolul de a asigura semnalul necesar pentru comanda tranzistoarelor din etajele finale. Acestea pot necesita semnale de comandă în antifază sau puteri de comandă de câţiva waţi în cazul amplificatoarelor de putere mare (mai mare de 10 W);

- etajul de intrare al amplificatorului, care asigură amplificarea tensiunii de intrare până la valoarea necesară pentru intrarea etajului driver.

ETAJE FINALE

Amplificatoarele finale pot fi proiectate să lucreze în regim liniar sau în impulsuri.În impulsuri, tranzistoarele comandate de semnalul de intrare în regiunea de comutaţie, între

saturaţie şi blocare. Impulsurile pot avea factor de umplere ½ (durata egală cu pauza) sau factor de umplere diferit de ½.

În funcţionarea liniară, tranzistoarele pot lucra într-unul din cele trei regimuri de bază:

14

- clasa A, funcţionare caracterizată de faptul că dispozitivul activ conduce pe întreaga durată a perioadei semnalului de intrare;

- clasa B, ceea ce corespunde unei conducţii de curent de către dispozitivul activ pe o durată de timp egală cu jumătate din perioada semnalului de intrare (180º), în cealaltă semiperioadă tranzistorul fiind blocat;

- clasa C, care corespunde unei conducţii pe o durată de timp mai mică decât o semiperioadă. Acest regim de funcţionare are dezavantajul de a produce în semnalul de ieşire un bogat conţinut de armonici ale semnalului de intrare, care pot fi eliminate numai prin utilizarea ca sarcini a unor circuite acordate.Comparativ, curenţii prin dispozitivele active în cele trei clase de funcţionare se pot vedea în

figura de mai jos.

Figura 3.7Cuplajul dintre sarcină şi tranzistoarele finale poate fi realizat:

- cu transformator: se realizează o separare galvanică între sarcină şi amplificator, asigurând în acelaşi timp şi o adaptare a impedanţei de sarcină la valoarea impedanţei de sarcină optimă pentru dispozitivul activ folosit, printr-o alegere judicioasă a raportului de transformare;

- cu condensator, înlătură componenta continuă de tensiune care poate apărea la ieşirea amplificatorului şi care de ce mai multe ori este inaceptabilă pentru sarcină;

- direct: are avantajul de a înlătura din construcţia amplificatorului două elemente voluminoase şi care introduc limitări în banda de frecvenţe a semnalelor ce pot fi amplificate.

ETAJ FINAL CLASĂ A CU CUPLAJ PRIN TRANSFORMATOR

Figura 3.8

15

t

Ui

t

i

ImClasă A

t

i

t

i

Clasă B

Clasă C

R1

R2

R3

RS

V1 V2

+ EC

C M1

M

R3RS

R3

M2

ICM

∆VCE max

EC VCE maxVCE MVCE min

∆IC max

IC

VCE

Figura 3.9În absenţa semnalului de intrare, tranzistorul se găseşte în punctul static de funcţionare

M(VCEM, ICM). Ecuaţia dreptei de sarcină va fi (considerând rezistenţa de curent continuu a primarului transformatorului, ca fiind nulă):

VCE = EC – R3 · IC

Ecuaţia dreptei de sarcină dinamică este:VCE = -(R3 + R'S) · ΔIC

unde R'S este rezistenţa de sarcină reflectată în primar: R'S = (n1/n2)2 · RS

Această ecuaţie corespunde unei drepte de sarcină de pantă –[1/(R3 + RS)], care trece prin punctul static de funcţionare.

Excursia maximă a tensiunii colector-emitor va fi limitată de tensiunea colector-emitor maximă pe care o poate suporta tranzistorul şi de tensiunea de saturaţie:

ΔVCEmax = VCemax - VCesat

Dacă se consideră că rezistenţa R3 este mică (o valoare mare duce la scăderea puterii în rezistenţa de sarcină), atunci putem scrie că:

VCEM = (VCemax + VCesat)/2şi VCEM ≈ EC

Valoarea curentului din punctul static de funcţionare va fi aleasă astfel încât puterea disipată de tranzistor în acest să nu depăşească puterea maximă disipată din catalog.

Amplitudinea semnalului de intrare va trebui să fie astfel aleasă ca punctul de funcţionare să se deplaseze pe dreapta de saturaţie M1M2, între cele două puncte. Amplitudini mai mari aplicate la intrare vor determina saturarea sau blocarea tranzistorului, ceea ce va avea ca efect distorsionarea puternică a semnalului de ieşire prin limitare.

Puterea absorbită de la sursa de alimentare va fi:P0 = EC · ICM

Puterea utilă debitată în sarcină este:PS = (ICM · EC)/2

Puterea disipată de tranzistor se obţine prin scăderea puterii utile din cea absorbită de la sursă:

Pd = P0 – PS = PS

Randamentul unui asemenea etaj final va fi:η = PS/P0 = 0,5

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 utile ori de cîte ori trebuie amplificate tensiuni sau curenţi care au valori medii diferite de zero sau au variaţii foarte lente în timp (frecvenţe foarte joase).

Pentru a realiza amplificatoare de curent continuu sunt necesare cuplaje directe între etajele de amplificare, asigurându-se astfel transmiterea unor variaţii oricât de lente ale semnalului de intrare.

16

Exemplu de cuplare directă a două etaje de amplificare.

Figura 4.1

Tranzistoarele T1 şi T2 din figura de mai sus reprezintă două etaje de amplificare cu emitorul comun. Polarizarea tranzistorului T2 se obţine direct din colectorul tranzistorului T1. Acest lucru face ca tensiunea colector-emitor a tranzistorului T1 să fie numai de circa 0,6 V (cât este tensiunea bază-emitor a unui tranzistor cu siliciu în conducţie). Pentru semnale mici, acest cuplaj asigură o tensiune de polarizare suficientă. La semnale mai mari, tranzistorul T1 se poate satura.

Principalul dezavantaj al schemei de mai sus îl constituie influenţa variaţiei parametrilor dispozitivelor asupra tensiunii de ieşire (de ex., temperatura), variaţiei tensiunii de alimentare sau a îmbătrânirii elementelor de circuit.

AMPLIFICATORUL DIFERENŢIAL

Principalul mijloc pentru a elimina influenţa variaţiei parametrilor dispozitivelor îl constituie utilizarea simetriei electrice la realizarea acestor amplificatoare.

Schema celui mai simplu amplificator simetric este ilustrată mai jos.

Figura 4.2Este posibilă analiza circuitului în două situaţii particulare:

1) ui1 = ui2

Tensiunile de intrare variază simultan în acelaşi sens. Datorită simetriei circuitului, orice punct nesituat pe axa de simetrie a circuitului va avea o variaţie de tensiune identică cu simetricul faţă de această axă. Dacă, spre exemplu tensiunea uo1 va creşte, acelaşi lucru se va întâmpla şi cu uo2, adică diferenţa de tensiune între colectoarele tranzistoarelor nu se modifică. Deşi tensiunea aplicată la intrare variază, această variaţie nu se transmite la bornele rezistenţei de sarcină RL.2) ui1 = -ui2

Pe intrarea 2 se aplică o tensiune egală şi de semn contrar cu tensiunea aplicată pe intrarea 1. Aceasta înseamnă că punctele simetrice faţă de AA' au variaţii de potenţial opuse. Ca urmare, şi în colectoarele tranzistoarelor se va produce acelaşi lucru, respectiv vor apare variaţii de tensiune egale şi de semn contrar. Punctele situate pe axa AA' nu îşi vor modifica potenţialele. La ieşire, între

17

T2T1

R1 R2

uo

uin

+ EC

T2T1

RC RCRL

RB

RE

+ E

- E

ui2

RB

ui1

uo2uo1

colectoarele tranzistoarelor se va obţine o variaţie de tensiune corespunzătoare variaţiei aplicate la intrare.

Din cele analizate se poate trage concluzia că acest amplificator are proprietatea de a fi insensibil la variaţii de potenţial simetrice faţă de axa AA'. Mai mult, variaţii simetrice de parametri vor produce variaţii simetrice de tensiune, care nu vor influenţa ieşirea. Spre exemplu, dacă se modifică temperatura ambiantă, se vor modifica simultan cele două tensiuni bază-emitor, UBE1 şi UBE2. Variaţia lor fiind în acelaşi sens, deci simetrică faţă de axa AA', nu va apărea la ieşire, şi ca urmare circuitul nu va fi sensibil la modificarea unui parametru.

Figura 4.3Simetria perfectă a circuitului, presupusă anterior nu este posibil de realizat, însă reducerea

sensibilităţii tensiunii de ieşire faţă de variaţia temperaturii sau a tensiunii de alimentare este substanţială.

REACŢIAGeneralităţi

Nu există amplificatoare ideale. Nici un amplificator nu este perfect liniar, în sensul că tensiunea de ieşire nu este cu exactitate forma de undă a tensiunii de intrare, înmulţită cu un factor constant. Chiar dacă amplificatorul este suficient de liniar pentru o anumită plajă a tensiunii de intrare, amplificarea în tensiune variază datorită schimbărilor survenite în tensiunea de alimentare sau temperatură, care produc variaţia caracteristicilor tranzistorului cu punctul static de funcţionare. Acestea şi multe alte limitări ale amplificatorului pot fi minimalizate prin aplicarea reacţiei negative. În figura 4.4 este redată diagrama de fluenţă a semnalului.

Figura 4.4În figura 4.5 se prezintă schema bloc electrică a unui amplificator cu reacţie.

Figura 4.5

18

T2T1

RC RCRL/2

RB

+ E

2RE

- E

ui2

RB

ui1

2RE

RL/2

A

A'

COMPARATOR AMPLIFICATORDE BAZĂ

ATENUATORDE PRECIZIE

intrare v1 ieşire v3v2

v4

RLCOMPARATOR

AMPLIFICATORDE BAZĂ(unilateral)

v3 = a∙v2

ATENUATORDE PRECIZIE

PASIVv4 = f∙v3

v3v1v2

v4

+

++ +

--

-

-

Pentru a aplica o reacţie unui amplificator, trebuie folosite încă două elemente, un atenuator de precizie şi un comparator. Pentru simplitate, se presupune că funcţiile de transfer ale celor trei blocuri sunt independente de frecvenţă.

Pentru moment, se neglijează încărcarea amplificatorului de bază de către circuitul de reacţie, presupunând că amplificatorul de bază are o rezistenţă de intrare infinită şi o rezistenţă de ieşire egală cu zero. În aceste condiţii, tensiunea de ieşire v4 a atenuatorului de precizie este egală cu tensiunea de ieşire v3 a amplificatorului, înmulţită cu un factor constant subunitar.

Tensiunea v4 este comparată cu tensiunea de intrare v1 şi diferenţa dintre cele două tensiuni este aplicată amplificatorului.

Combinând această ecuaţie cu relaţiile intrare-ieşire ale amplificatorului de bază şi ale atenuatorului calibrat

şi eliminând v2 şi v4, se găseşte că amplificarea de tensiune a amplificatorului cu reacţie (complet), adesea denumită amplificare pe buclă închisă este:

Efectul reacţiei negative este evident. Dacă produsul „a∙f” este mult mai mare decât unitatea, ecuaţia se reduce la:

Aşadar relaţia între v3 şi v1 depinde numai de f şi este aproape independentă de a. Acesta este un rezultat important, deoarece amplificarea „a” a amplificatorului de bază este funcţie de temperatură, tensiune de alimentare etc., aşa cum s-a scos în evidenţă în cele anterioare.

Pe de altă parte, amplificarea „f” poate fi controlată cu precizie, deoarece atenuatorul poate fi construit cu elemente R, L şi C invariabile, adică, ale căror valori sunt mult mai puţin sensibile la schimbarea condiţiilor de funcţionare. Amplificarea globală de tensiune este aproximativ independentă de „a” atunci când „a” este mai mare, deoarece tensiunea de intrare a amplificatorului, v2, necesară pentru a produce v3, este diferenţa între două tensiuni mult mai mari, v1 şi f∙v3. În consecinţă, dacă pentru anumite motive „a” scade de două ori, este necesară o schimbare neimportantă a valorii lui v3, pentru a dubla pe v2, compensând astfel pierderea de amplificare.

EFECTUL REACŢIEI ASUPRA SEMNALELOR PARAZITE

Prezenţa unor semnale parazite cum ar fi: zgomotul surselor de alimentare sau diafonia legată de prezenţa unor amplificatoare vecine conduce frecvent la limitarea performanţelor unui amplificator.

Efectul semnalelor parazite poate fi redus utilizând reacţia negativă.Dacă analizăm efectul semnalului parazit la intrarea amplificatorului de bază, situaţie pentru

care schema bloc folosită este arătată în figura 4.6, se constată că atât semnalul util v1, cât şi semnalul parazit vn se aplică în amplificator în acelaşi punct, şi ca urmare este dificil pentru amplificator să realizeze o amplificare preferenţială a lui v1 în raport cu vn.

Figura 4.6

19

v3 RL

vn

v2

v4

a

f

v1

+

++++

-

-

-

--

Putem scrie v3 că:

Performanţa amplificatorului poate fi apreciată prin raportul semnal-zgomot, definit ca raportul dintre amplitudinea semnalului util şi a semnalului parazit în acelaşi punct al schemei date. Rezultă, ţinând cont şi de ecuaţia de mai sus, că raportul semnal-zgomot la ieşirea amplificatorului din figura 4.6 este:

Acelaşi rezultat se obţine şi în cazul amplificatorului de bază (figura 4.7).

Figura 4.7Rezultă că reacţia nu îmbunătăţeşte raportul semnal/zgomot al amplificatorului, dacă

semnalul parazit se aplică în acelaşi punct cu semnalul util. Să considerăm semnalul parazit aplicat în alt punct al amplificatorului (figura 4.8).

În reprezentarea generală din figura 4.8 se presupune existenţa a două amplificatoare având amplificările de bază a1, respectiv a2, cel de-al doilea amplificator având asociat un generator de zgomot vn, iar amplificatorul a1 nefiind afectat de zgomot.

Figura 4.8Se găseşte tensiunea de ieşire v3:

Raportul semnal-zgomot este:

, deci de a1 ori mai bun decât raportul obţinut cu

amplificatorul singular.

TIPURI DE REACŢIE

Se pot întâlni patru tipuri de reacţie:1. Reacţia serie-serie

20 fz

ay

io

vi vε

vr

a

vn

v3RLv1

+ ++

-

- -

f

a1 a2

v1

vS

v4

RL v3

vn +

+

+

+

-

-

-

-

-

Figura 4.9La intrare, semnalul de reacţie se aplică în serie cu cel de intrare, iar la ieşire cei doi

cuadripoli, amplificatorul şi reţeaua de reacţie, sunt de asemenea conectaţi în serie. Acest mod de conectare face ca la intrare mărimile ce se compară să fie tensiuni, iar la ieşire mărimea cu care este proporţională tensiunea de reacţie vr să fie curent.

Factorul de transfer al amplificatorului, definit de relaţia:

va fi deci o admitanţă de transfer, iar factorul de transfer al reţelei de reacţie:

este o impedanţă de transfer.Factorul de transfer al întregului circuit va fi de asemenea o admitanţă de transfer:

2. Reacţia paralel-serie

Figura 4.10Cuadripolii sunt conectaţi în serie la intrare şi în paralel la ieşire. Putem scrie:

şi

Amplificatorul este un amplificator în tensiune.3. Reacţia paralel-paralel

Figura 5.1Amplificarea este definită de relaţiile:

şi

21

vi vε vo

vr

av

fv

fy

az

ii iε

Ir

vo

Amplificatorul este impedanţă de transfer.4. Reacţia serie-paralel

Figura 5.2Factorul de transfer al amplificatorului este o amplificare în curent:

şi

Deci:

AMPLIFICATOARE OPERAŢIONALE

Aplicarea principiului reacţiei în cazul amplificatoarelor de curent continuu a dus la constituirea unei categorii aparte de amplificatoare, numite amplificatoare operaţionale. Realizarea acestor amplificatoare sub forma unor circuite integrate, cu performanţe din ce în ce mai ridicate, a dus la lărgirea extrem de rapidă a domeniului de utilizare a acestora. Proiectul iniţial a fost pentru realizarea unor anumite operaţii matematice (de unde şi numele), dar în prezent el este folosit într-o mulţime de aplicaţii. Actualmente foarte puţine scheme de aparatură electronică nu conţin amplificatoare operaţionale.

Amplificatorul operaţional (AO) este un amplificator ideal, cu o amplificare infinită, bandă infinită şi un răspuns în frecvenţă perfect plat, impedanţă de intrare infinită şi impedanţă de ieşire zero, fără drift cu temperatura. În practică, un amplificator operaţional are următoarele proprietăţi:

- câştig foarte mare (peste 50.000);- bandă foarte mare şi răspuns plat în frecvenţă;- impedanţă mare de intrare;- impedanţă mică de ieşire;- drift cu temperatura foarte mic.

Figura 5.3 prezintă simbolurile unui amplificator operaţional. El are două terminale de intrare: o intrare inversoare (-) care produce o ieşire în antifază cu intrarea şi o intrare neinversoare (+) care produce o ieşire în fază cu intrarea. Un AO obişnuit trebuie alimentat cu două tensiuni continue, una pozitivă şi cealaltă negativă.

22

fi

ai

ii ioiε

ir

+

-

+

-

+V

Ieşire

Intrare inversoare

Intrare neinversoare

-V

Figura 5.3Circuitul unui amplificator diferenţial este format din două sau mai multe etaje de

amplificare diferenţiale.Există o mulţime de aplicaţii ale AO, printre care amplificatorul inversor, amplificatorul

neinversor, repetorul de tensiune, amplificatorul sumator, amplificatorul integrator, amplificatorul derivator, amplificatorul diferenţial şi comparatorul.

Amplificatorul neinversor

În figura 5.4 este ilustrată o configuraţie de amplificator neinversor, cu buclă închisă, pentru care câştigul în tensiune poate fi stabilit după dorinţă.

Figura 5.4

Semnalul de intare se aplică pe intrarea neinversoare (+). Semnalul de ieşire este aplicat pe intrarea inversoare (-), după ce parcurge circuitul de reacţie (bucla închisă), format din R i şi Rr. Reacţia negativă acţionează în felul următor: R i şi Rr formează un divizor de tensiune pe care se repartizează vout, iar partea reprezentată de vr se aplică pe intrarea inversoare. Expresia tensiunii de reacţie este:

Diferenţa dintre tensiunea de intrare vin şi tensiunea de reacţie vr, constituie semnalul diferenţial de intrare în AO. Această tensiune diferenţială se înmulţeşte (amplifică) cu câştigul în tensiune în buclă deschisă al AO (Aol), iar la ieşire se obţine o tensiune ce are expresia:

Notând , adică atenuarea circuitului de reacţie, şi înlocuind vr cu în

formula precedentă, obţinem:

Apoi, prin calcule elementare, rezultă:

23

Rr

Ri

vout

vr

circuit de reacţie

+

-

vin

Întrucât câştigul în tensiune global al amplificatorului este , el poate fi exprimat ca:

Produsul este, de obicei, mult mai mare ca 1, deci ecuaţia poate fi aproximată prin:

Câştigul în buclă închisă al unui amplificator neinversor (NI) este inversul atenuării Ar a circuitului de reacţie (divizor de tensiune).

Repetorul

Configuraţia de repetor constituie un caz particular de amplificator neinversor, în care întreaga tensiune de ieşire este adusă la intrarea inversoare (-) prin conectare directă, ca în figura 5.5.

Figura 5.5Reacţia prin conectare directă are ca rezultat un câştig în tensiune egal cu 1 (adică semnalul

de intrare nu îşi schimbă valoarea), adică .

Amplificatorul inversor

În figura 5.6 este prezentat un AO în configuraţie de amplificator inversor, având câştigul în tensiune fixat din exterior. Semnalul de intrare se aplică pe intrarea inversoare (-) prin rezistorul serie Ri. Semnalul de ieşire se aduce prin Rr şi se aplică pe aceeaşi intrare. Intrarea neinversoare (+) este conectată la masă.

Figura 5.6Pentru simplificarea analizei circuitului, vom folosi parametrii AO ideal prezentaţi iniţial. O

impedanţă de intrare infinită este echivalentă cu existenţa unui curent nul prin intrararea inversoare, ceea ce înseamnă că între intrarea inversoare şi cea neinversoare nu există cădere de tensiune. Această tensiune nulă de la borna de intrare inversoare este numită masă virtuală.

Întrucât prin intrarea inversoare curentul este nul, curenţii prin Ri şi Rr au valori egale, adică .

24

vout

vin

+

-

Rr

Ri

vout

vin

+

-

Căderea de tensiune pe Ri este egală cu vin deoarece borna opusă a rezistorului se găseşte la masa virtuală. Deci:

De asemenea, căderea de tensiune pe Rr este egală cu –vout tot datorită masei virtuale, deci:

Deoarece,

Desigur, câştigul global al amplificatorului inversor (I) este :

unde semnul minus arată că semnalul de ieşire este inversat.

Amplificatorul sumator

Amplificatorul sumator este o variantă a configuraţiei inversoare cu AO. El are două sau mai multe intrări (figura 5.7), iar tensiunea sa de ieşire este proporţională cu suma algebrică a tensiunilor de intrare, precedată de semnul minus.

Figura 5.7Utilizând conceptele de impedanţă de intrare infinită şi masă virtuală, putem deduce că

intrarea inversoare (-) a AO este la aproximativ 0 V şi că prin acea intrare nu circulă curent. Aceasta înseamnă că ambii curenţi de intrare, i1 şi i2, se întâlnesc în punctul de însumare, formând curentul total i, care circulă prin Rr şi deci i = i1 + i2.

Întrucât vout = -i∙Rr, se calculează:

Dacă toate cele trei rezistoare sunt identice (R1 = R2 = Rr = R), atunci:

Această expresie arată că tensiunea de ieşire este suma celor două tensiuni de intrare.Dacă Rr are o valoare mai mare decât cea a rezistoarelor de intrare, amplificatorul are

câştigul , unde R este valoarea fiecăruia dintre rezistoarele de intrare. Expresia generală a

tensiunii de ieşire va fi:

25

Rr

vout

vin2+

-R2

R1

vin1

i1

i2

i

0 V

Amplificatorul sumator poate fi realizat astfel ca la ieşirea sa să se obţină media aritmetică a

tensiunilor de intrare (amplificatorul de mediere). Pentru aceasta se alege raportul egal cu

inversul numărului de intrări (în acest caz 2). Prin urmare, expresia tensiunii de ieşire va fi:

Prin utilizarea unor rezistoare de intrare de valori diferite, fiecărei intrări a unui amplificator sumator i se atribuie o pondere diferită în sumă (sumatorul ponderat). Tensiunea de ieşire are expresia:

Amplificatorul integrator

Un circuit de integrare cu AO simulează integrarea matematică, aceasta fiind, în principiu, o operaţie de însumare prin care se află aria totală situată sub graficul unei funcţii.

Un circuit de integrare elementar este ilustrat în figura 5.8. Componenta care realizează reacţia este un condensator, care formează un circuit RC împreună cu rezistorul de intrare.

Figura 5.8

Sarcina Q a condensatorului este proporţională cu curentul de încărcare ic şi cu timpul t în care condensatorul se încarcă: Q = ic∙t. Dar sarcina unui condensator se poate scrie şi funcţie de tensiune: Q = C∙uc.

Din cele două relaţii, tensiunea de pe condensator se poate exprima sub forma:

Aceasta este ecuaţia unei drepte cu originea în zero şi cu panta constantă ic/C.Intrarea inversoare (-) a AO se află la masa virtuală (0 V), deci căderea de tensiune pe R i este

egală cu vin. Prin urmare, curentul de intrare este: . Din cauza impedanţei de intrare foarte

mari a AO, curentul prin intrarea inversoare este neglijabil şi deci tot curentul de intrare circulă prin condensator şi deci ic = iin.

Dacă iin este constant (şi deci ic constant), ic va încărca liniar condensatorul şi va genera pe el o cădere de tensiune liniară. Deoarece armătura pozitivă a condensatorului este menţinută la 0 V (masa virtuală a AO), tensiunea de pe armătura negativă a condensatorului scade liniar, pornind de la zero, pe măsură ce condensatorul se încarcă. Această formă a tensiunii se numeşte rampă negativă.

Tensiunea de ieşire vout este chiar tensiunea de pe armătura negativă a condensatorului. Dacă la intrare se aplică o tensiune constantă, în formă de treaptă sau impuls, tensiunea de ieşire prezintă o pantă negativă, scăzând până când AO ajunge la saturaţie la nivelul negativ maxim (figura 5.9).

26

C

Ri

vout

vin

+

-

-+

Figura 5.9Viteza de încărcare a condensatorului, deci şi panta semnalului de ieşire în rampă, este dată

de raportul . Întrucât , viteza de variaţie a semnalului de ieşire este .

Amplificatorul derivator

Un circuit de derivare cu AO simulează derivarea matematică, adică operaţia prin care se calculează viteza instantanee de variaţie a unei funcţii.

Un circuit de derivare elementar este prezentat în figura 3.10.

Figura 5.10

Circuitul de derivare generează la ieşire o tensiune proporţională cu viteza de variaţie a tensiunii de intrare.

Se aplică la intrarea circuitului o rampă ascendentă de tensiune (figura 5.11). În acest caz, ic

= iin, iar căderea de tensiune de pe condensator este în permanenţă egală cu v in (vc = vin), din cauză că intrarea inversoare se găseşte la masa virtuală.

Din formula de bază se deduce curentul prin condensator:

Întrucât curentul prin intrarea inversoare este neglijabil, curentul prin rezistor va fi egal cu cel prin condensator. Tensiunea de ieşire este constantă şi egală cu tensiunea de la bornele rezistorului R:

Figura 5.11Tensiunea de ieşire este negativă când semnalul de intrare este o rampă ascendentă şi

pozitivă când la intrare semnalul este o rampă descendentă.

Comparatorul

27

C

Rr

vout

vin

+

-

Ieşire

Intrare t

t

0

0

Intrare

Ieşire

t

t

0

0

Amplificatoarele operaţionale sunt utilizate adesea drept comparatoare, făcând comparaţia între amplitudinile a două tensiuni. Pentru aceasta, AO este conectat într-o configuraţie cu buclă deschisă, pe una dintre intrări aplicându-se tensiunea de evaluat, iar pe cealaltă o tensiune de referinţă.

Cele mai importante circuite comparatoare elementare sunt următoarele:- detector de zero;- detector de prag;- comparator cu limitare a tensiunii de ieşire.

Detectorul de zeroCu ajutorul uneia dintre aplicaţiile AO în montaj de comparator se stabileşte dacă o tensiune

aplicată la intrare depăşeşte un anumit nivel. În figura 6.1 este prezentat un detector de zero. Se observă că intrarea inversoare (-) este conectată la masă, pentru a menţine nivelul de referinţă zero, iar tensiunea semnalului de intrare se aplică la intrarea neinversoare (+).

Figura 6.1

Tensiunea obţinută la ieşirea unui detector de zero, când pe intrarea neinversoare (+) a acestuia se aplică o tensiune sinusoidală, este ilustrată în figura 6.2 – pe alternanţele negative ale sinusoidei, la ieşire se obţine nivelul maxim al tensiunii negative; la trecerea prin zero a sinusoidei, amplificatorul basculează în starea opusă şi tensiunea de ieşire ia valoarea pozitivă maximă. Putem spune şi că detectorul de zero transformă o tensiune sinusoidală într-una dreptunghiulară.

Figura 6.2Detectorul de prag

Detectorul de zero poate fi modificat pentru a detecta tensiuni diferite de zero, prin conectarea la intrarea sa inversoare (-), a unei surse de tensiune constantă, de referinţă (figura 6.3).

Figura 6.3

În figura 6.4 este prezentată o configuraţie uzuală în practică, la care tensiunea de referinţă este fixată prin intermediul unui divizor de tensiune, astfel:

28

vout

vin

+

-

vout

vint

t

0

0

+vout

-vout

vout

vin

+

-

VREF

Figura 6.4

În circuitul din figura 6.4 se poate înlocui rezistenţa R2 cu o diodă Zener, şi astfel VREF = VZ. Atâta timp cât tensiunea de intrare vin este mai mică decât VREF, la ieşire se obţine nivelul maxim negativ. Când tensiunea de intrare o depăşeşte pe cea de referinţă, la ieşire se obţine tensiunea pozitivă maximă, unde la intrare s-a aplicat o tensiune sinusoidală (figura 6.5).

Figura 6.5Comparator cu limitare a tensiunii de ieşire

Pentru unele aplicaţii este necesară limitarea tensiunilor de ieşire ale comparatorului la valori mai mici decât cele caracteristice stării de saturaţie a AO. În acest scop se poate folosi o diodă Zener conectată ca în figura 6.6, care limitează tensiunea de ieşire la valoarea de stabilizare, într-unul dintre sensuri, şi la valoarea căderii de tensiune pe diodă în conducţie directă, în celălalt sens.

Figura 6.6

Deoarece anodul diodei Zener este conectat la intrarea inversoare (-), el se află practic la masă. În consecinţă, când tensiunea de ieşire atinge valoarea pozitivă egală cu tensiunea de stabilizare Zener, ea este limitată la acea valoare. Când semnalul de ieşire devine negativ, dioda Zener se comportă ca o diodă semiconductoare obişnuită, fiind polarizată direct la o cădere de tensiune de aproximativ 0,7 V şi limitând tensiunea negativă de ieşire la această valoare. Dacă se inversează polaritatea diodei Zener, limitarea tensiunii de ieşire se produce invers.

OSCILATOARE Noţiuni introductive

Oscilatorul este un circuit care generează un semnal de ieşire în absenţa unui semnal de intrare. Oscilatoarele sunt utilizate ca surse de semnal, în diverse aplicaţii. Diferitele tipuri de oscilatoare generează forme de undă variate, cum sunt cele sinusoidale, dreptunghiulare, triunghiulare şi în dinte de fierăstrău.

Funcţionarea oscilatorului sinusoidal se bazează pe principiul reacţiei pozitive, prin care semnalul de ieşire este adus, parţial, la intrare în aşa fel încât să se autopotenţeze, susţinându-şi

29

R1

R2

vout

vin

+

-

+V

vout

vint

t

0

0

+vout

-vout

Dz

Ri

vout

vin

+

-0

+Vz

-0,7 V

astfel continuitatea. Oscilatoarele sunt utilizate pe scară largă în diferite sisteme electronice, sisteme de comunicaţii, sisteme digitale, inclusiv în calculatoare, pentru a genera semnale de anumite frecvenţe.

Cu alte cuvinte, oscilatorul este un circuit care generează la ieşire o formă de undă repetitivă când i se aplică doar o tensiune continuă, nefiind necesară prezenţa unui semnal de intrare repetitiv. Practic, oscilatorul transformă energia electrică de tip continuu în energie electrică de tip alternativ (figura 6.7).

Figura 6.7Un oscilator sinusoidal simplu este format dintr-un amplificator (fie cu tranzistoare, fie cu

AO), care asigură introducerea unui câştig, şi un circuit de reacţie pozitivă (figura 6.8).

Figura 6.8

Putem scrie ecuaţiile:v2 = A ∙ v1

vr = β ∙ v2

v1 = vg+ vr

Deci, amplificarea cu reacţie este:

Pentru ca circuitul din figură să devină oscilator, la ieşirea acestuia trebuie să obţinem semnal în absenţa semnalului de intrare, deci pentru vg = 0. În această situaţie amplificarea cu reacţie devine:

condiţie satisfăcută pentru: β ∙ A = 1.

Această relaţie este denumită şi relaţia lui Barkhausen, relaţia dând condiţia de oscilaţie.Relaţia lui Barkhausen este echivalentă cu două condiţii:

- condiţia de amplitudine: |A| ∙ |β| = 1- condiţia de fază: φA + φβ = 2kπ ;

Din condiţia de fază se va determina şi frecvenţa semnalului de la ieşirea oscilatorului.Condiţia de amplitudine este valabilă atunci când se ajunge la regimul de echilibru de

amplitudine, când amplitudinea oscilaţiilor este constantă. Pentru a putea amorsa oscilaţiile, iniţial este necesar ca

|A| ∙ |β| > 1, adică iniţial este nevoie ca reacţia pozitivă să fie puternică.

30

v2v1

vr v2

Amplificator idealA = v2 / v1 = ct

+

Circuit (reţea) de reacţie ideală

β = vr / v2

vg

OSCILATORTensiune continuă

de alimentare

vout

Dacă condiţia de mai sus este menţinută în timpul funcţionării, atunci amplitudinea oscilaţiilor va creşte fără a se ajunge la starea de echilibru. Din acest motiv, în circuit trebuie să existe un mecanism de limitare a oscilaţiilor, care să asigure intrarea în regimul de echilibru a funcţionării oscilatorului, moment în care amplitudinea oscilaţiilor devine constantă.

Oscilatoarele se pot clasifica în funcţie de diverse criterii după cum urmează:1) După formele de undă de la ieşire:

oscilatoare armonice, la care tensiunea de ieşire este apropiată ca formă de cea sinusoidală;

oscilatoare nesinusoidale, la care tensiunea de ieşire este triunghiulară, dreptunghiulară etc.

2) După modul în care energia de alimentare poate fi transformată în energie a semnalelor de ieşire:

oscilatoare cu reacţie pozitivă; oscilatoare cu reacţie negativă.

3) După natura reţelei de reacţie: oscilatoare RC:

cu reţele defazoare; cu reţea Wien; cu reţea dublu T.

oscilatoare LC: cu circuit acordat în colector; oscilatoare în trei puncte:

oscilator Colpitts; oscilator Clapp; oscilator Hartley

oscilatoare cu cuarţ.4) După gama de frecvenţe pe care o acoperă:

de audiofrecvenţă (Hz – 1 MHz); de radiofrecvenţă (sute kHz – 1 GHz); de microunde (peste 1 GHz).

5) După numărul buclelor de reacţie cu o singură buclă de reacţie; cu două bucle de reacţie.

OSCILATOARE RC

Oscilatoare cu reţea de defazare cu tranzistoare bipolare

a bFigura 6.9

Un oscilator cu reţea de defazare poate fi construit cu un singur etaj de amplificare. Având în vedere că defazajul amplificatorului compus dintr-un tranzistor bipolar în conexiune EC, este de + 180º pentru obţinerea unei reacţii pozitive este necesar să se realizeze în reţeaua de reacţie un defazaj suplimentar de + 180º. Acest defazaj poate fi obţinut cu minimum trei reţele de defazare.

31

C C C

CE

R'RR

Rb2

Rb1RC

RE

+ EC

Rb2

Rb1RC

RECE

R R

C C C

R'

+ EC

Reţeaua de defazare realizată cu reţele de defazare trece-sus (figura 6.9a) introduce un defazaj de + 180º, astfel încât defazajul total devine + 360º, iar cea realizată cu reţele de defazare trece-jos introduce un defazaj suplimentar de - 180º, astfel încât defazajul total va fi egal cu zero.

Rezistenţele Rb1 şi Rb2 se aleg astfel încât tranzistorul să fie corect polarizat, iar rezistenţa R':

Oscilatoare cu reţea Wien

Figura 6.10

Oscilatoarele cu reţea Wien au bucla de reacţie formată dintr-o reţea Wien, compusă dintr-un grup RC paralel înseriat cu un grup RC serie.

În figura 6.10 este prezentată schema de principiu a unui oscilator RC cu reţea Wien cu reacţie de tensiune de frecvenţă variabilă. Amplificatorul este realizat cu două etaje cuplate galvanic, pentru a elimina defazajul suplimentar ce ar putea fi introdus de către circuitul de cuplaj la frecvenţe joase.

Pentru acest tip de oscilator se observă că dacă rezistenţele de polarizare RB1 şi RB2 s-ar fi legat în baza tranzistorului T1, rezistenţa lor echivalentă ar fi şuntat rezistenţa R de la ieşirea reţelei.

Conectând cele două rezistenţe ca în figură, rezistenţa lor echivalentă va fi conectată în

serie cu rezistenţa de ieşire a reţelei, R. Pentru stabilizarea amplitudinii oscilaţiilor se poate utiliza o rezistenţă neliniară, o lampă cu incandescenţă sau un termistor în locul rezistenţei r.

Vom avea pulsaţia de oscilaţie:

Iar condiţia de amorsare a oscilaţiilor este:

32

IEŞIRE

CE

C2

C1

C

C T2

T1

R1

R

RB2

R

RE1

RB1 RC1

RC2

RE2

r

- EC

OSCILATOARE LC

Principiul de funcţionare

Se consideră un circuit electric format dintr-un condensator C, o bobină de inductanţă L şi o rezistenţă R, ce poate fi alimentat de la o sursă de tensiune continuă V (figura 6.11).

a bFigura 6.11

Când comutatorul K se află în poziţia 1, condensatorul C se încarcă până când tensiunea la bornele sale devine egală cu V. Energia înmagazinată în condensator este:

Când comutatorul K se află pe poziţia 2, condensatorul C se descarcă pe circuitul format din rezistenţa R şi bobina L. Energia electrică WC se transformă în energie magnetică pentru bobina L:

Transferul de energie se efectuează cu pierderi pe rezistenţa R:

În continuare, energia magnetică a bobinei va fi transferată cu pierderi pe rezistenţa R, condensatorul reîncărcându-se cu polaritate inversă. Procesul oscilant se repetă până când energia electrică WC se pierde în totalitate pe rezistenţa de pierderi R.

Procesul oscilant de descărcare şi încărcare a condensatorului este posibil dacă:

Frecvenţa oscilaţiilor este dată de relaţia:

Datorită prezenţei rezistenţei de pierderi R, oscilaţiile sunt amortizate. Pentru a se obţine oscilaţii de amplitudine constantă este nevoie de introducerea în circuit a unei cantităţi de energie egală cu cea pierdută pe R.

Oscilatoare LC în trei puncteOscilatorul Colpitts

33

R

L

V

21

K

C+

-

V

t

- EC

Rb2

Rb1 Re

LS

Ce

C2

C1

L

Cb

Figura 6.12

Frecvenţa de oscilaţie este:

Oscilatorul Clapp

Figura 6.13Frecvenţa de oscilaţie:

Oscilatorul cu cristal de cuarţ

Pentru obţinerea unei stabilităţi de frecvenţă ridicată se utilizează în oscilatoare, cristale de cuarţ.

Cuarţul este tăiat după anumite direcţii cristalografice, este şlefuit şi i se depun electrozi metalici pe două feţe paralele. O tensiune alternativă aplicată la cei doi electrozi, provoacă vibraţii mecanice datorită acţiunii câmpului electric asupra sarcinilor electrice din reţea (efect piezoelectric invers). Din punct de vedere electric, cristalul de cuarţ oferă o impedanţă cu proprietăţi de circuit rezonant.

Schema echivalentă a unui cristal cu cuarţ este reprezentată în figura 6.14, în care C0

reprezintă capacitatea monturii.

Figura 6.14Se constată existenţa unei rezonanţe serie la frecvenţa:

,

şi a unei rezonanţe paralel la frecvenţa:

34

- EC

Rb2

Rb1 Re

LS

Ce

C2

C1

L

Cb

C3

C0

CrL

În figura 6.15 este ilustrat oscilatorul Pierce, realizat cu un tranzistor, montajul funcţionând fie ca oscilator Colpitts, fie ca oscilator Clapp.

Figura 6.15

STABILIZATOARE DE TENSIUNE

Noţiuni introductive

Un sistem electronic supus acţiunii unui ansamblu de semnale de intrare furnizează la ieşire o serie de semnale cu caracteristici electrice variabile în timp.

Menţinerea invariantă în timp a caracteristicilor electrice ale unui semnal la ieşirea unui sistem, în condiţii de variaţie în domenii specificate a semnalelor de intrare (variaţia temperaturii mediului ambiant în care funcţionează sistemul se consideră semnal de intrare), se asigură printr-un proces de stabilizare a semnalului respectiv.

Dispozitivul electronic care realizează funcţia de stabilizare a parametrilor unui semnal poartă numele de stabilizator.

Un stabilizator de tensiune continuă este un cuadripol care menţine tensiunea de ieşire constantă, indiferent de variaţia tensiunii de intrare, a curentului prin sarcină sau a temperaturii mediului ambiant, în domenii specificate prin standarde sau norme tehnice.

Constructiv, un stabilizator se poate realiza în două moduri:a) una din cele mai simple metode se bazează pe capacitatea unor componente electronice (cel

mai adesea diode Zener) de a menţine tensiunea aproximativ constantă la bornele lor;b) o altă metodă constă în utilizarea unei scheme electrice de amplificator cu reacţie; în acest

caz tensiunea se menţine constantă printr-un proces de reglare automată care se desfăşoară în două faze:

i. tensiunea de ieşire Vo sau o fracţiune din ea (k∙Vo) se compară cu o tensiune de referinţă VREF, rezultând un semnal de eroare ε = VREF - k∙Vo;

ii. semnalul de eroare ε, amplificat, comandă elementul regulator pentru a restabili tensiunea de ieşire la valoarea prescrisă Vo.

Figura 7.1Clasificarea stabilizatoarelor de tensiune

35

- EC

Rb2

Rb1 Re Ce

IEŞIREWEE

CC

T

C1

QC2

RC

Vi Vo

R1Comparator

VREF

A

Elementregulator

Amplificator

ε

R2

A∙ε

k∙Vo

În funcţie de modul de acţionare a elementului regulator se disting:- stabilizatoare cu acţiune continuă (stabilizatoare liniare), la care elementul regulator

funcţionează continuu;- stabilizatoare cu acţiune discontinuă (stabilizatoare în comutaţie), la care elementul regulator

funcţionează în regim de comutaţie, încărcând un element acumulator de energie (un condensator), care furnizează tensiunea de ieşire pe sarcină pe durata când încărcarea condensatorului este întreruptă.

În funcţie, de modul de conectare a elementului regulator în raport cu sarcina, stabilizatoarele de tensiune se împart în:- stabilizatoare de tip serie;- stabilizatoare de tip paralel.

În raport cu metoda de stabilizare există două tipuri principale de stabilizatoare:- stabilizatoare în buclă deschisă (parametrice)(open-loop regulator);- stabilizatoare în buclă închisă (cu reacţie)(feedback regulator).

După posibilitatea de ajustare a nivelului tensiunii de ieşire oferită utilizatorului, stabilizatoarele se clasifică în:- stabilizatoare de tensiune variabilă (care permit ajustarea tensiunii de ieşire într-un domeniu

specificat);- stabilizatoare de tensiune fixă (care furnizează la ieşire un singur nivel de tensiune cu o precizie

specificată).În funcţie de numărul ieşirilor pe care se asigură simultan tensiuni stabilizate, se împart în:

- stabilizatoare cu o singură ieşire;- stabilizatoare cu două sau mai multe ieşiri.

În practică, există în prezent şi stabilizatoare sub formă de circuite integrate. Cele mai utilizate sunt stabilizatoarele liniare cu trei terminale, care furnizează la ieşire tensiune fixă.

Stabilizarea tensiunii

Două mari categorii de stabilizare a tensiunii sunt:- stabilizarea în raport cu variaţia tensiunii de intrare;- stabilizarea în raport cu variaţia sarcinii.

Stabilizarea în raport cu variaţia tensiunii de intrare poate fi definită ca variaţia procentuală a tensiunii de ieşire la o variaţie dată a tensiunii de intrare.

Raportat la o plajă de valori a tensiunii de intrare, stabilizarea în raport cu variaţia tensiunii de intrare se exprimă procentual prin formula:

Stabilizarea în raport cu variaţia sarcinii poate fi definită ca variaţia procentuală a tensiunii de ieşire corespunzătoare unei variaţii date a curentului de sarcină. Ea poate fi exprimată sub forma variaţiei procentuale a tensiunii de ieşire între valoarea în gol (VGOL) şi valoarea corespunzătoare sarcinii minime (VS(MIN)):

STABILIZATOARE SERIE

O reprezentare simplificată a unui stabilizator liniar de tip serie este ilustrată în figura 7.2. Circuitul de control al tensiunii de ieşire sesizează variaţiile tensiunii de ieşire. Amplificatorul de eroare compară tensiunea de control cu o tensiune de referinţă şi impune elementului regulator să acţioneze în compensare, pentru a menţine constantă tensiunea de ieşire.

36

Vi

Vo

ELEMENTREGULATO

R

AMPLIFICATOR

DE EROARE

CIRCUIT DE

CONTROL

TENSIUNE DE

REFERINŢĂ

Figura 7.2

În figura următoare se prezintă câteva din cele mai uzuale tipuri de stabilizatoare serie.

Figura 7.3Procesul de stabilizare

Schema din figura 7.4 este un stabilizator simplu de tip serie, realizat cu amplificator operaţional. În această schemă, divizorul de tensiune rezistiv format din R2 şi R3 urmăreşte variaţiile tensiunii de ieşire. Când tensiunea de ieşire tinde să scadă, cauzele posibile fiind scăderea V i sau creşterea curentului prin sarcină, pe intrarea inversoare a AO se aplică prin divizorul de tensiune, o tensiune redusă proporţional. Întrucât dioda Zener, menţine cealaltă intrare a AO la o tensiune de referinţă VREF, aproximativ constantă, între intrările AO apare o mică tensiune diferenţială (tensiunea de eroare). Aceasta este amplificată, deci tensiunea de la ieşirea AO, creşte. Tensiunea – acum mărită – se aplică în baza tranzistorului T1, ceea ce duce la creşterea tensiunii din emitor (Vo), până când tensiunea de pe intrarea inversoare a AO devine egală cu tensiunea de referinţă. Astfel se compensează tendinţa de scăderea tensiunii de ieşire, aceasta rămânând aproximativ constantă. Tranzistorul de putere T1 se montează de obicei, pe radiator, deoarece este străbătut de curentul de sarcină.

Figura 7.4

Dacă tensiunea de ieşire tinde să crească, procesul se desfăşoară simetric. AO este într-o configuraţie neinversoare, în care tensiunea de intrare de la borna neinversoare este tensiunea de referinţă VREF, iar circuitul de reacţie negativă este constituit de divizorul de tensiune R2 şi R3.

Tensiunea de la ieşirea stabilizatorului serie este (neglijând tensiunea bază-emitor a tranzistorului T1):

37

TR

Dz

Vo Vi Vo

Dz

R1

R2T1

T2

Vi Vi

Dz

R3

R2

R1

R4

P

T1

T2 Vo

D1

Amplificator de eroare

T1

Element regulator

+

-

R3

R2

R1

Vi Vo

VREF

Circuit de control

Deci tensiunea de ieşire este relativ independentă de tensiunea de intrare, deci stabilizarea este realizată (cu condiţia ca tensiunea de intrare şi curentul de sarcină să se afle între anumite limite).

Protecţia la scurtcircuit sau la suprasarcină

Când curentul prin sarcină depăşeşte o anumită valoare, tranzistorul serie, prin care circulă acest curent, se poate distruge. Majoritatea stabilizatoarelor sunt prevăzute cu un circuit de limitare a curentului care asigură protecţia în asemenea situaţii. În figura de mai jos, este prezentată una dintre metodele de limitare a curentului, numită limitare la o valoare fixă a curentului de ieşire. Circuitul de limitare este format din tranzistorul T2 şi rezistenţa R4.

Figura 7.5Curentul de sarcină, parcurgând R4, generează o cădere de tensiune între baza şi emitorul

tranzistorului T2. Când curentul de sarcină atinge o valoare maximă prestabilită ISmax, căderea de tensiune pe R4, prin care se polarizează direct joncţiunea BE a lui T2, este suficient de mare pentru a deschide acest tranzistor. O parte destul de însemnată din curentul de bază a lui T 1 este preluată prin colectorul lui T2, astfel încât curentul de sarcină să fie limitat la valoarea lui maximă. Însă, întrucât tensiunea BE a lui T2 nu poate depăşi 0,7 V la un tranzistor cu Si, căderea de tensiune pe R4 nu poate depăşi 0,7 V, curentul de sarcină fiind deci limitat la:

STABILIZATOARE PARALEL

La stabilizatoarele paralel, elementul regulator este conectat în paralel cu sarcina. O reprezentare simplificată o găsim în figura de mai jos.

38

+

-

R3

R2

R4

R1T1

T2

Limitator de curent

D1

Vi Vo

V

i

Vo

ELEMENTREGULATOR

AMPLIFICATORDE EROARE

CIRCUIT DE CONTROL

TENSIUNE DE REFERINŢĂ

R1

Figura 7.6

Cele mai uzuale variante de stabilizatoare de tip paralel sunt ilustrate în figura 7.7.

Figura 7.7Procesul de stabilizare

În figura de mai jos, elementul regulator este tranzistorul T1, conectat în paralel cu sarcina. În serie cu sarcina se află rezistenţa R1. Când tensiunea de ieşire tinde să scadă din cauza modificării tensiunii de intrare sau a curentului de sarcină, tendinţa ei se reflectă asupra tensiunilor pe R3 şi R4, ajungând în final la intrarea neinversoare a AO. Tensiunea diferenţială rezultată duce la scăderea tensiunii de la ieşirea AO, reducând tensiunea aplicată tranzistorului T1, deci şi curentul de colector al acestuia, ceea ce reprezintă, practic, o creştere a rezistenţei colector-emitor. Deoarece rezistenţa CE, formează cu R1 un divizor de tensiune, prin creşterea sa se compensează tendinţa de scădere a tensiunii de ieşire Vo, care se menţine la un nivel aproape constant.

Figura 7.8Procesul se desfăşoară în sensul opus dacă tensiunea de ieşire tinde să crească. Stabilizatoarele paralel sunt mai puţin eficiente decât cele de tip serie, însă nu necesită

elemente suplimentare pentru asigurarea protecţiei la scurtcircuit. Dacă ieşirea se scurtcircuitează (Vo = 0), curentul de sarcină va fi limitat de către rezistorul R1 la valoarea maximă:

39

Vi

R1

Dz

R2

Vo

TVo

Dz R2

Vi

R1

VoVi

R1

Dz

R2

TP

T1

R1

D1

Element regulator

Amplificator de eroare

+

-

R4

R3

R2

Circuit de control

Vi Vo

VRE

F

BIBLIOGRAFIE

1. Thomas FLOYD – Dipozitive electronice, Editura Teora, Bucureşti, 20032. Gabriel VASILESCU, Şerban LUNGU – Electronică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 19813. Emil DAMACHI, Aurelia TUNSOIU ş.a. – Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 19794. Dan DASCĂLU, Laurenţiu TURIC ş.a. – Circuite electronice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 19815. Niculae TOMESCU, István SZTOJANOV ş.a. – Electronică analogică şi digitală, vol. I – III, Editura Albastră, Cluj-Napoca, 20046. Adrian GRAUR – Bazele electronicii, Editura Mediamira, Cluj-Napoca, 1997

40