Amplificatoare

1 Generalitati

Cea mai importanta si din aceasta cauza cea mai utilizata functie a dispozitivelor electronice este cea de amplificare: un semnal de comanda, de mica putere este utilizat pentru a obtine la iesire un semnal de aceeasi forma avand puterea mult mai mare. Exista o mare varietate de amplificatoare care difera prin natura semnalului, dispozitivului utilizat, cuplajului intre etaje, clasa de functionare, banda de frecvente, etc.

Ne vom ocupa in cele ce urmeaza de amplificatoare de tensiune de semnal mic sau liniare, la care impedanta de sarcina sau retelele de cuplaj nu contin circuite selective: amplificatoare de audiofrecventa si o larga categorie de amplificatoare utilizate in diferite domenii de cercetare stiintifica, aparatura de masura si control, etc.

In aceeasi categorie de amplificatoare de semnal mic, pot fi incluse si amplificatoarele de banda larga fara circuite de corectie.

In Fig.1 este reprezentat un amplificator pentru care x₁(t) este semnal de intrare iar x₂(t) este semnal de iesire. x₁(t) si x₂(t) pot fi mod independent unul de celalalt sau curenti.

Fig.1

Este necesar ca semnalul de iesire sa aiba aceeasi forma ca si semnalul de intrare, eventual o anumita intarziere:

X₂(t) =Ax₁(t-τ₀) (1)

Amplificatoarele au drept caracteristica faptul ca semnalul de la iesire are o putere mai mare decat cel de la intrare. Amplificarea in putere poate fi realizata cu ajutorul tuburilor electronice, al tranzistoarelor sau al diodelor cu rezistenta negativa. De exemplu, tranzistorul joaca rolul unui "ventil" care comanda, in ritmul semnalului aplicat, puterea debitata in sarcina de o sursa de tensiune continua.

Pentru a asigura proportionalitatea semnalului de iesire cu semnalul de intrare, conform relatiei (1) este necesar ca amplificatorul sa functioneze liniar. Se considera ca dispozitivele electronice functioneaza liniar in conditii de semnal mic.

Pentru orice fel de etaj din amplificatoare cu tranzistor bipolar, tranzistor cu efect de camp sau tub electronic functionand liniar in regim sinusoidal, se pot defini trei coeficienti de amplificare: de tensiune

A_u, de curent A_i si de putere A_P , dupa cum urmeaza:

(2)

;

unde: U₂ si I₁ sunt tensiunea si curentul de intrare (fazori, marimi complexe), U₂ si I₂ sunt tensiunea si curentul de iesire, ₁ este defazajul dintre U₁ si I₁ iar este defazajul dintre U₂ si I₂ .

Pentru caracterizarea unui amplificator ce contine n etaje de amplificare se definesc coeficienti globali

    (3)

unde este defazajul dintre si .

Fig.2

De exemplu pentru amplificarea in tensiune, in cazul unui amplificator cu trei etaje (Fig.2) vom avea:

(4)

Pentru exprimarea rapoartelor a diferite marimi se utilizeaza notatia in decibeli (dB). Logaritmul zecimal al raportului P₂/P₁ poarta numele de Bell.

(5)

Belul este o unitate relativ mare si de aceea in electronica, telecomunicatii si acustica se foloseste o unitate de zece ori mai mica (decibell);

(6)

Puterea la iesire si la intrare poate fi exprimata in felul urmator:

(7)

Inlocuind relatiile (7) in relatiile (6) si presupunad ca impedantele au caracter rezistivse obtine:

(8)

si analog:

(9)

Pentru cazul particular R_int=R_ies rezulta:

(10)

In practica rapoartele de tensiuni si curenti se exprima in db chiar si atunci cand R_int R_ies , dar in acest caz nu mai este valabila egalitatea (10).

Pe baza consideratiilor anterioare, se defineste castigul de putere in tensiune si in curent:

(11)

Astfel un castig in tensiunea de 60dB corespunde unei amplificari in tensiunea A_v=1000.

Relatia (4) se poate scrie:

(12)

Exista referinte standard (valori pentru P₁) utilizate pentru exprimarea puterii in dB, de exemplu:

- 1nW/600 Ω ii corespunde o tensiune de 0,77 V;

- 1nW fara specifica valoarea impedantei; se noteaza dBn;

- 6nW/500Ω ii corespunde o tensiune de 1,732V.

De exemplu, presupunand ultima varianta de referinta, vom exprima puterea atat in dB cat si in W:

In cazul amplificatorului real are loc schimbarea formei semnalului de iesire, numita distorsiune. Aceasta modificare a formei semnalului are drept semnificatie fizica schimbarea compozitiei spectrale a semnalului.

Distorsiunile pot fi neliniare sau liniare.

Distorsiunile neliniare apar din cauza neliniaritatii caracteristicilor dispozitivului utilizat in amplificator. Din cauza acestei neliniaritati semnalul de iesire contine armonici suplimentare fata de cele continute de semnalul de intrare se schimba forma semnalului.

Acest tip de distorsiuni este caracterizat prin coeficientul de distorsiuni neliniare definit prin relatia:

(13)

unde p₁ este puterea corespunzatoare frecventei fundamentale; p₂;p₃ . ,p_n sunt puterile armonicelor superioare.

Daca impedanta de sarcina nu se modifica cu frecventa se poate scrie:

(14)

Valorile maxime admise pentru coeficientul de distorsiuni neliniare:

in aparatura de masura si control;

in radiocomunicatii, radiodifuziune si TV;

in telefonie .

Semnalele amplificate pot fi afectate de distorsiuni liniare, chiar daca amplificatorul lucreaza la semnale mici.

Semnalul sinusoidal este singurul semnal nedistorsionat de catre un circuit liniar cu o functie de transfer K(j), unde:

K(j)=K()e^jФ(w)

In cazul unui semnal periodic nesinusoidal, componentele Fourier ale acestuia vor fi amplificate si defazate in mod diferit, producand modificarea formei semnalului de iesire, adica aparitia distorsiunilor liniare.

Se demonstreaza un raspuns de forma (1) se obtine numai daca sunt indeplinite conditiile:

K()= constant, independent de ;

dФ/d=constant, independent de .

Asa cum se arata in cap.1.Filtrele electrice (1.1.Generalitati) variatia fazei cu frecventa trebuie sa fie o functie liniara (relatia 1.4.) pentru ca timpul de intarziere de grup dФ/d sa fie o constanta independenta de .

Daca aceste conditii sunt satisfacute apar urmatoarele doua categorii de distorsiuni liniare:

- distorsiuni de amplitudine, datorate amplificarii inegale a componentelor de frecvente diferite aloe unui semnal (de exemplu armonicele unui semnal periodic nesinusoidal);

- distorsiuni de faza sau de intarziere datorate modificarii relatiei de faza intre componentele de frecvente diferite ale semnalului.

In Fig.3 este reprezentata caracteristica amplitudine -frecventa a unui amplificator. Se defineste o amplificare "in banda"sau "la frecvente medii" corespunzatoare platoului din figura. Se admite o scadere a modulului amplificarii la fractiunea a<1 din amplificarea:

Fig.3

Au₀, unde de obicei .

Conditia defineste frecventa limita inferioara f_i, frecventa limita superioara f_s si banda de lucru a amplificatorului:

(17)

De regula f_s>>f_i si atunci .

De obicei frecventele limita f_i si f_s sunt frecvente pentru care amplificarea scade de ori fata de Au₀. Utilizand unitatile logaritmice aceasta scadere este egala cu 3 dB (puterea semnalului la frecventele f_i si f_s scade de 2 ori ).Variatia amplificarii cu 3dB in limitele benzii de lucru este acceptabila pentru aparatura de audio frecventa, dar in domeniul aparaturii de masura si control aceasta variatie numita neuniformitate in banda, nu poate depasi .

Se defineste gama dinamica a unui amplificator:

(18)

U_2max si U_2min fiind semnalul maxim respectiv minim nedistorsionat la iesirea amplificatorului. U_2max este limitat de distorsiunile liniare iar U_2min de zgomotele proprii (interne) ale circuitului (componentelor) si de semnale parazite culese la intrarea amplificatorului. Pentru un amplificator de calitate .

Cuplarea etajelor intre ele, cu sursa de semnal sau cu sarcina se poate face direct prin condensator sau prin transformator.

Cuplajul direct este singurul care poate fi utilizat in cazul amplificatoarelor de curent continuu.

Are dezavantajul interdependentei punctelor statice de functionare care face proiectarea mai dificila. Acest dezavantaj poate fi inlaturat cu ajutorul unei reactii de curent continuu. Acest tip de cuplaj se utilizeaza aproape in exclusivitate in circuitele integrate, unde nu pot fi folosite condensatoare.

Fig.4

Cuplajul prin condensator sau cuplajul RC (Fig.4) impiedica trecerea componentei continue asigurand astfel separarea in curent continuu si atenueaza frecventele joase, deoarece condensatorul de cuplaj formeaza cu rezistenta de intrare in etajul urmator (R) un circuit RC care are comportarea unui filtru trece sus. Existenta unor astfel de condensatoare de cuplaj intre etaje, este una din cauzele care determina scaderea amplificarii la frecvente joase.

Cuplajul prin transformator asigura concomitent cu izolarea in curent continuu, o eventuala amplificare in tensiune sau adaptarea la rezistenta de sarcina. Se utilizeaza mai ales in amplificatoare de putere si in cele de radiofrecventa.

Clasificarea regimurilor de functionare ale unui dispozitiv activ se face pe criteriul intervalului de conductie. Daca se considera curentul prin dispozitiv ca o functie i=(wt), atunci intervalul corespunde unei perioade a semnalului aplicat. Se noteaza cu unghiul de conductie, corespunzator intervalului de timp in care curentul prin dispozitiv este diferit de zero .

Pentru exemplificare vom alege tranzistorul bipolar si considerand ca acesta este comandant in curent, vom utiliza caracteristica de transfer , care este liniara, plecand aproximativ din origine si fiind limitata de un curent de saturatie caracteristic etajului respectiv.

Fig.5

Figura 5, ilustreaza functionarea in clasa A. Punctul static de functionare al tranzistorului se afla pozitionat in regiunea normala de lucru (punctul M) iar amplitudinea semnalului de intrare este redusa, astfel incat in regim dinamic punctul de functionare sa nu ajunga in regiunea de blocare sau de saturatie. Dispozitivul conduce pe toata durata perioadei semnalului de intrare si deci . Semnalul de iesire reproduce in intregime semnalul de intrare si distorsiunile semnalului de iesire vor fi determinate de neliniaritatea caracteristicii de transfer. In locul unghiului de conductie se utilizeaza uneori semiunghiul de conductie . Deoarece in regim static exista un curent apreciabil prin dispozitiv in cazul ideal (nu exista nici un fel de pierderi de energie in circuitul de colector al tranzistorului) jumatate din puterea pe care amplificatorul o preia de la sursa de alimentare va fi regasita in sarcina ca putere utila, cealalta fiind disipata de tranzistor sub forma de energie termica si randamentul maxim va fi 50%.

In Figura 5.b este ilustrata functionarea in clasa B tranzistorului. Punctul static de functionare (M) se stabileste in regiunea de blocare a tranzistorului, la limita blocare-conductie, astfel ca acesta va anplifica numai o alternativa a semnalului de intrare unghiul de conductie fiind . Daca tranzistorul functioneaza in clasa AB.

Pentru functionarea in clasa C (Fig.6), punctul static de functionare este pozitionat undeva in regiunea de taiere a tranzistorului, astfel incat sa fie amplificata numai o portiune din semialternanta semnalului aplicat la intrare. Se lucreaza cu un unghi de conductie .

Fig.6

In clasele B, AB si C curentul de colector este sub forma unor impulsuri de curent, astfel ca semnalul amplificat este puternic distorsionat.

Pentru amplificatoarele functionand in cele trei clase se utilizeaza tehnici speciale de circuit pentru refacerea formei semnalului in sarcina.

Deoarece randamentul obtinut in clasele B,AB si C este mai mare decat in clasa A, aceste clase sunt utilizate pentru amplificatoare de putere si de mare putere, de joasa si de inalta frecventa.

Pentru un circuit dat (cu o caracteristica dinamica de transfer data) clasa de functionare depinde atat de alegerea punctului static de functionare cat si de amplitudinea semnalului de intrare. De exemplu daca punctul de functionare este ales in regiunea normala de lucru (pentru clasa A de functionare) si semnalul creste in amplitudine, se poate trece din functionare in clasa A in clasa AB etc.

Cresterea semnalului in scopul maririi puterii sale si pentru a obtine un randament marit al amplificatorului, este din pacate insotita de distorsionarea acestuia din cauza neliniaritatii caracteristicilor dispozitivului activ utilizat si ca urmare a trecerii dintre clasa de functionare inalta.

Criterii de clasificare a amplificatoarelor:

1) tipul de dispozitiv electronic cu care este echipat amplificatorul:

- cu tuburi electronice;

- cu tranzistoare bipolare;

- cu tranzistoare cu efect de camp;

- cu diode tunel;

- cu diode Gunn (si alte dispozitive speciale pentru microunde);

- cu elemente magnetice.

2) numarul de etaje:

- un etaj;

- mai multe etaje.

3) tipul retelei de cuplaj intre etaje:

- cuplaj rezistiv sau direct;

- cuplaj RC sau capacitiv;

- prin transformator sau inductie.

4) natura semnalelor de intrare sau iesire:

- amplificator de tensiune; semnalul de intrare este furnizat de un generator ideal de tensiune avand Z_g<<Z_int, iar amplificatorul se comporta fata de sarcina de asemenea ca un generator ideal de curent cu Z_ies>>s. Aceste amplificatoare sunt de obicei echipate cu tranzistoare bipolare comandate in curent;

- amplificator de putere are loc amplificare atat in tensiune cat si in curent; se urmareste obtinerea unei puteri utile de iesire cat mai mare pentru alimentarea unei anumite sarcini, difuzoare, antena, instalatie de reglare industriala, etc.

In cazul amplificatoarelor reale de tensiune exista si o amplificare in curent, deci acestea amplifica si in putere. Similar, amplificatoarele reale de curent prezinta si o amplificare in tensiune, deci amplifica si in putere.

5) marimea semnalului de iesire:

- amplificatoare de semnal mic - pentru analiza si proiectare se utilizeaza modelul liniar al caracteristicilor dispozitivelor electronice;

- amplificatoare de semnal mare - se utilizeaza modelul liniarizat pe portiuni ;

6) clasa de functionare : A ; B ; AB ; C ; D ; etc. .

7) gama de frecventa (sau aspectul caracteristicii de frecventa):

- amplificatoare a perioadei (neacordate) ce pot fi:

- de audiofrecventa, avand banda de lucru cuprinsa intre cativa Hz (de regula 20 Hz) si 20 KHz; distorsiunile de faza sunt neimportante (nu sunt sesizate de urechea omului) sunt de obicei constituite din doua blocuri: un preamplificator (amplificator de semnal mic) si un amplificator de putere (care lucreaza in regim de semnal mare);

- de video frecventa sau de banda larga, sau de impulsuri care au banda de lucru cuprinsa intre cativa Hz si zeci de MHz; sunt utilizate in televiziune si radiolocatie; distorsiunile de faza prezinta importanta si trebuie sa fie cat mai reduse;

- de curent continuu (cu cuplaj rezistiv), care amplifica semnalele lent variabile in timp (de frecventa infrasonora);

- amplificatoare selective (acordate) care functioneaza intr-o gama ingusta de frecventa si sunt de doua tipuri:

- de radiofrecventa (RF) - cu circuite codate LC;

- de joasa frecventa (JF) - cu circuite selective de tip RC.

In cazul amplificatoarelor de putere se urmareste obtinerea unei puteri utile la iesire cat mai mari, in conditiile unui randament ridicat.

Puterea maxima este limitata de coeficientul de distorsiuni neliniare (cu cat amplitudinea semnalului este mai mare, cu atat neliniaritatea caracteristicilor statice e mai pronuntata si K_f are valori mai mari) si de putere disipata maxima admisa pentru un anumit tip de dispozitiv.

Randamentul, definit ca fiind raportul dintre puterea utila in sarcina si puterea consumata de la sursa de alimentare, poate avea urmatoarele valori:

h=15%-20% - amplificatoare de putere mica (clasa A de functionare);

h 50% - amplificatoare de putere medie (clasa B si AB de functionare) ;

h 75% - amplificatoare de putere mare (clasa C de functionare) ;

h>75% - amplificatoare de putere medie si mare in clase de functionare cu randament ridicat (de exemplu clasa D de functionare, in regim de amplificare in impulsuri).

Etaj de amplificare tranzistor bipol in conexiune emitor comun

In continuare vom avea in vedere urmatoarele considerente:

- etajele cu tranzistoare bipolare functioneaza in curent alternativ, la semnale mici;

- pentru a putea utiliza parametrii hibrizi ai tranzistorului se va considera initial ca frecventa este suficient de joasa pentru a se putea neglija efectul capacitatii tranzistorului;

- studiul comportarii la frecvente inalte se va reduce la estimarea aproximativa a limitarii la frecventa pe care o introduc capacitatile tranzistorului asupra functionarii etajului.

Pentru a putea descrie comportarea in regim dinamic a etajului de amplificare, ca si interactiunile acestuia cu sursa de semnal (etajul anterior) si cu sarcina (etajul urmator) se urmareste punerea in evidenta a tipului de amplificator (de tensiune, de curent, etc) care modeleaza cel mai bine etajul considerat. Pentru aceasta se vor calcula impedantele de intrare si de iesire, ca si amplificarea etajului, urmarind obtinerea unor relatii intre parametrii tranzitoriului si elementele circuitului extern, relatii care vor fi utilizate si pentru calculul (proiectarea) etajului de amplificare respectiv. Tinand cont de consideratiile referitoare la frecventa de lucru, vom admite intr-o prima etapa a calculului ca atat impedanta de intrare cat si impedanta de iesire au caracter pur rezistiv. De asemenea vom presupune ca sarcina este o rezistenta pura.

Fig.7

In Fig.7 este reprezentata configuratia unui etaj de amplificare de tip EC cu cuplaj RC. Condensatoarele C_G si C _S realizeaza cuplajul in curent alternativ intre generatorul de semnal (etajul anterior) si intrarea amplificatorului, respectiv intre iesirea amplificatorului si sarcina (care poate fi o impedanta de intrare a etajului urmator).

Cele doua condensatoare de cuplaj realizeaza si separarea in curent continuu (blocheaza componenta continua) intre generatorul de semnal si etajul de amplificare, respectiv intre acesta din urma si sarcina.

Condensatorul C_E realizeaza decuplarea rezistentei R_E in curent alternativ, astfel incat emitorul tranzistorului sa fie conectat la masa in regim dinamic (conexiune emitor comun).

Se considera ca cele trei condensatoare au capacitatea suficient de mare pentru ca sa se comporte practic ca niste scurt-circuite la frecventa minima din banda.

Polarizarea tranzistorului pentru o tensiune de alimentare data E_C este realizata de catre divizorul rezistiv din baza formata din rezistentele R₁ si R₂ care impreuna cu rezistenta din emitor R_E asigura si stabilizarea punctului static de functionare cu temperatura.

Rezistenta din colector R_c are de asemenea rol in polarizarea tranzistorului (participa la stabilirea valorii curentului de colector) dar e si sarcina a tranzistorului in regim dinamic.

Punctul static de functionare M₀ (Fig.8) se amplaseaza in regiunea de functionare permisa in planul caracteristicilor de iesire ale tranzistorului bipolar in conexiune EC. Aceasta regiune de functionare pentru amplificatoare in clasa A coincide practic cu regiunea activa normala a tranzistorului fiind delimitata de B: hiperbola de putere disipata maxima, valoare maxima a curentului de colector, tensiunea de colector maxima, valoarea minima a tensiunii colector emitor pentru care tranzistorul nu intra in regiunea de saturatie (se considera egala cu 0,5V) si valoarea minima a curentului de colector pentru care tranzistorul nu intra in regiunea de blocare (corespunzatoare la limita unui curent de baza nul).

Punctul M₀ se afla la intersectia caracteristicii i_C=f(u_CE)/i_B=ct cu dreapta de sarcina statica a carei ecuatie se obtine aplicand legea a-2-a a lui Kirkoff in circuitul de colector al amplificatorului din Fig.7.

(19)

Dreapta de sarcina statica intersecteaza cele 2 axe de coordonate in punctele E_C si E_C/R_C+R_E si are panta data de (vezi Fig.8).

Fig.8

Pozitia punctului static de functionare este descrisa de coordonatele sale , si caruia ii corespunde o tensiune (in planul caracteristicii de intrare).

Punctul instantaneu de functionare avand coordonatele i_c(t) si u_ce(t) descrie asa numita caracteristica dinamica care nu coincide cu dreapta de sarcina statica deoarece in regim dinamic sarcina tranzistorului este formata din R_C in derivatie cu R_S (mai mica decat R_E+R_C).

Caracteristica dinamica este de fapt segmentul de dreapta M₁M₂, avand panta si a carui lungime depinde de amplitudinea semnalului. Mijlocul acestui segment este M₀ deoarece punctul mediu de functionare in regim variabil coincide cu punctul static de functionare in absenta semnalului.

Se face mentiunea ca locul geometric al punctului instantaneu de functionare (caracteristica dinamica) nu mai este un segment de dreapta in cazul in care sarcina contine componente reactive, ci o elipsa al carei aspect depinde de caracterul si marimea componentei reactive a sarcinii.

Amplasarea punctului static de functionare in interiorul zonei permise se face pe baza urmatoarelor considerente:

- evitarea disiparii unei puteri mai mari decat cea maxim admisibila

- obtinerea unor distorsiuni cat mai mici ale semnalului amplificat;

- asigurarea stabilitatii si reproductibilitatii amplificarii si a semnalului de iesire;

De fapt, trebuie avuta in vedere nu numai amplasarea punctului static de functionare, ci a intregii caracteristici dinamice care trebuie sa fie situata in intregime in interiorul regiunii permise de functionare.

Pentru micsorarea distorsiunilor se va alege o zona cat mai liniara din planul caracteristicilor statice. De regula punctul static de functionare se pozitioneaza in zona centrala a planului caracteristicilor statice de iesire, alegand . Este esentiala evitarea distorsiunilor grosiere ale semnalului prin patrunderea caracteristicilor dinamice in taiere sau in saturatie. Pentru aceasta, considerand un punct static stabilit, amplitudinea semnalului la iesire trebuie sa indeplineasca conditiile:

- pentru a evita saturatia, valoarea maxima a amplitudinii tensiunii in colector trebuie sa fie: (20), unde V, valoare acoperitoare;

- pentru a nu se patrunde in zona de blocare(definita pentru ) se impune: (21), (unde este valoarea maxima a amplitudinii curentului alternativ de colector), ceea ce este echivalent cu:

(22)

unde R_S' este sarcina echivalenta in regim dinamic si are expresia

(23)

Asa cum se vede din Fig.8, pozitiile extreme ale caracteristicii dinamice si pot fi conditionate si prin intermediul amplitudinii semnalului de intrare, fie curentul (), fie tensiunea (,folosind caracteristica de intrare a tranzistorului). Se poate spune ca in cazul ilustrat in Fig. 8 pentru amplitudinea semnalului de intrare , punctul static de functionare a fost ales corect, intrucat pe o perioada a semnalului tranzistorul nu intra nici in saturatie nici in blocare. Pentru amplitudini mici ale semnalului de intrare punctul static de functionare se alege mai jos pe dreapta de sarcina, in scopul reducerii puterii absorbite de la sursa de alimentare in curent continuu.

Mentinerea unei functionari liniare a tranzistorului in scopul obtinerii unor distorsiuni cat mai mici ale semnalului amplificat este legata deci de fixarea punctului static de functionare in regiunea liniara a caracteristicilor, dar este determinata si de temperatura la care lucreaza tranzistorul si mai ales de variatiile acestuia. Pentru ca variatiile de temperatura sa nu aiba ca efect deplasarea necontrolata a punctului static de functionare (si a caracteristicii dinamice), se practica stabilizarea acestuia la variatiile de temperatura, ceea ce inlatura de obicei si efectul dispersiei parametrilor. Are loc in acest fel o insensibilizare a punctului static de functionare care asigura stabilitatea si reproductibilitatea amplificarii si a semnalului de iesire. Cea mai simpla metoda de a realiza aceasta insensibilizare este utilizarea circuitului de polarizare folosit si in cazul schemei din Fig.7 .Se face mentiunea ca alegerea punctului static de functionare(asa cum a fost prezentata mai sus), si calculul elementelor de polarizare a tranzistorului care sa asigure insensibilizarea punctului static de functionare, se realizeaza la fel pentru toate cele trei conexiuni in care poate functiona tranzistorul.

In Fig.9 a este reprezentat un circuit echivalent in curent alternativ al amplificatorului, obtinut din circuitul complet (Fig.7) prin eliminarea condensatoarelor considerate scurtcircuite in regim dinamic. Rezistenta are expresia:

(24)

In regim dinamic este conectat in paralel cu prin intermediul sursei de tensiune de alimentare , care in curent alternativ se prezinta ca un scurtcircuit (rezistenta sa interna are valori de Ω sau zeci de Ω).

Daca in Fig.9 a se inlocuieste tranzistorul cu schema sa echivalenta cu parametri hibrizi se obtine schema echivalenta completa in curent alternativ a amplificatorului EC (Fig.9 b).

Neglijand efectul reactiei intere intre iesire si intrare, adica se obtine rezistenta de intrare a tranzistorului:

(25)

independenta de rezistenta de sarcina, care si-ar fi manifestat efectul prin valoarea tensiunii de iesire , daca nu s-ar fi neglijat .

Rezistenta de intrare a etajului este data de in derivatie cu . Valorile uzuale pentru sunt de ordinul zecilor kΩ de iar pentru cativa kΩ pentru de ordinul miliamperilor.

Se poate deci aprecia ca si atunci rezistenta de intrare a etajului va fi:

. (26)

figura 9

Efectul rezistentelor de polarizare a tranzistorului este redus, astfel ca rezistenta de intrare a etajului EC este moderata si el poate fi considerat ca fiind atacat in tensiune(se considera de valoare redusa).

Rezistenta de iesire a amplificatorului este data de in derivatie cu , in conditiile in care semnalul de intrare considerat a fi nul(), ceea ce conduce la daca din nou se neglijeaza reactia interna a tranzistorului():

. (27)

Deoarece este de ordinul a cativa kΩ, pentru de ordinul miliamperilor, iar este de zeci de kΩ, rezistenta de iesire a etajului este aproximativ egala cu rezistenta de colector. Aceasta rezistenta fiind de valoare moderata (kΩ) pentru a putea preciza daca etajul este "citit" in curent sau tensiune, se ia in discutie valoarea rezistentei de sarcina :

daca <<, atunci etajul lucreaza practic in scurtcircuit si furnizeaza sarcinii un curent aproape egal cu curentul alternativ de colector;

daca >>, atunci etajul lucreaza practic in gol si furnizeaza sarcinii o tensiune aproape egala cu cea maxima pe care o poate da etajul pentru un semnal de intrare precizat.

Sa presupunem ca etajul EC este atacat de un generator de tensiune cu rezistenta interna . Admitem ca si ca >>si utilizand notatia (23) pentru sarcina echivalenta in regim dinamic. I aceste conditii, utilizand schema echivalenta a etajului EC (Fig.9 b), se poate scrie expresia amplificarii in tensiune raportata la tensiunea data de generator in gol:

(28)

S-a tinut seama de faptul ca daca >> atunci .

Daca<<(presupunere perfect valabila in cazul unui generator de tensiune) si << atunci expresia amplificarii in tensiune devine:

(29)

Se observa ca:

tensiunea in colector este in antifaza cu cea furnizata de generator (si deci cu semnalul din baza);

modulul amplificarii in tensiune este proportional cu care nu poate fi marit prea mult pentru ca este limitata de caderea de tensiune continua;

deoarece marimea amplificarii depinde de parametrii tranzistorului in mod direct, este foarte sensibila la conditiile de lucru(tensiune de alimentare, temperatura, etc.) care afecteaza valorile parametrilor hibrizi.

Pentru a determina expresia amplificarii in curent se considera ca etajul EC este atacat de un generator de curent avand rezistenta interna (Fig.10).

Considerand si >>, echivalent cu amplificarea in curent raportata la curentul dat de generator in gol, se scrie (conform [2]):

(30)

Deoarece >> si <<, expresia amplificarii in curent devine:

(31)

Amplificarea in curent devine maxima in conditii de scurtcircuit virtual, adica << si este egala cu .

In practica, in scopul obtinerii unor amplificari de valori ridicate, se utilizeaza configuratii de etaje EC conectate in cascada. Deoarece la un etaj EC, este de acelasi ordin de marime cu cel al rezistentei de iesire,, nu se poate spune ca avem de-a face cu un amplificator de tensiune sau cu unul de curent. De fapt, etajul, EC amplifica substantial in tensiune, cat si in curent, deci prezinta o amplificare importanta in putere, ceea ce constituie de fapt avantajul sau principal. Utilizand mai multe etaje EC in cascada se poate mari foarte mult puterea semnalului aplicat la intrare. Pentru a asigura un transfer maxim de putere in sarcina, rezistenta de iesire , trebuie sa fie egala cu rezistenta de sarcina . In cazul etajelor EC conectate in cascada, si (rezistenta de intrare a etajului urmator, sarcina pentru etajul i discutie) si conditia de adaptare poate fi realizata usor.

Etajul EC are un mare dezavantaj: asa cum se poate vedea din expresiile (26), (29) si (31), aproape toti parametrii amplificatorului (si intr-o anumita masura si ) depind de parametrii tranzistorului si prin aceasta de conditiile de lucru. Pentru a reduce efectul acestei conditii, se utilizeaza o schema de polarizare a tranzistorului care sa asigure stabilizarea punctului static de functionare in raport cu variatia temperaturii, precum si cu dispersia parametrilor tranzistorului. Sursa de alimentare trebuie sa fie stabilizata. Chiar si asa asigurarea reproductibilitati amplificarii este dificila.

Pentru determinarea efectului condensatorului de cuplaj cu generatorul se utilizeaza circuitul din Fig.11 .

Se presupune ca astfel incat el realizeaza o decuplare perfecta a rezistentei . Consideram de asemenea ca impedanta de intrare a amplificatorului este o rezistenta pura.

Tensiunea furnizata de generator se aplica unui divizor de tensiune format din si de pe care se culege , tensiunea de intrare in amplificator care se afla in interiorul liniei intrerupte din Fig.11 .

Functia de transfer a acestui circuit de cuplaj RC este:

(32)

este maxima in modul la frecvente suficient de inalte, adica acolo unde este practic un scurtcircuit. Daca ,

(33)

Facand notatiile:

(34)

Unde este frecventa normata obtinem:

(35)

Functia de transfer normata este:

(36)

Pentru , frecventa normata este si modulul functiei de transfer normate va fi:

(37)

Cu alte cuvinte este frecventa unghiulara pentru care modulul functie de transfer scade la din valoarea sa maxima. Are loc reducerea in aceiasi proportie a amplitudinii semnalului de intrare la =0,707 din valoarea pe care o are in banda de lucru. Aceasta reducere a amplificarii are loc pentru o frecventa numita limita inferioara, ce delimiteaza conventional banda de lucru a amplificatorului (vezi Fig.3) si conform relatiei (34) are expresia:

(38)

Reducerea amplificarii se explica prin existenta pierderilor de semnal pe condensatorul de cuplaj la frecvente joase, cand reactanta acestuia se mareste foarte mult.

Se demonstreaza in [2] ca daca se considera , condensatorul de decuplare a rezistentei din emitor, determina la randul sau o frecventa limita inferioara la care amplificarea scade la din valoarea din banda de lucru. Scaderea amplificarii la frecvente joase apare din cauza nedecuplarii rezistentei de catre ca urmare a cresterii reactantei sale capacitive. Expresia frecventei limita inferioara determinata de este urmatoarea:

(39)

s-a considerat aici ca si . Daca se impune , atunci alegerea condensatoarelor si se face in felul urmator: se considera si se impune conditia formala ca frecventele limita inferioare din expresiile (38) si (39) sa fie egale. Se obtine:

(40)

Deci este mult mai eficace decat si el trebuie sa aiba o valoare mult mai mare decat pentru a realiza o decuplare eficace. De aceea se va alege mult mai mare (de 10-20 ori) decat valoarea obtinuta din relatia sa de calcul (38) astfel incat sa poata fi considerata "foarte mare" si sa poata fi utilizata in relatia de calcul a lui (39).

Calculul condensatoarelor de cuplaj cu sarcina poate face cu relatia de calcul pentru (38), in care se inlocuiesc cu si cu .

Un fenomen de scadere a amplificarii are loc si la frecvente inalte, unde reactantele parazite ale tranzistorului si ale montajului scad foarte mult producand un efect de suntare a semnalului. Exista o frecventa limita superioara pentru care modulul amplificarii scade la din valoarea pe care o are in banda de lucru. Aceasta frecventa limita delimiteaza conventional banda de lucru a amplificatorului, asa cum se arata in Fig.3, si poate fi calculata cu relatia [2]:

(41)

unde este panta de semnal mic al tranzistorului iar si sunt parametri ai circuitului echivalent natural al tranzistorului.

Se observa ca frecventa limita superioara depinde de rezistenta de sarcina invers proportional. Valoarea maxima se obtine cand =0(in scurtcircuit), dar atunci amplificarea in tensiune e zero.

Pentru aprecierea performantelor etajului la inalta frecventa se utilizeaza o marime numita produs amplificare - banda, unde banda este conform relatiei (17) . Aceasta marime este constanta si valoarea ei maxima se obtine daca amplificatorul lucreaza in gol si =0, [2]:

(42)

unde sunt date de catalog care permit calcularea directa a valorii maxime a produsului amplificare - banda.

Formal, aceasta este frecventa limita de lucru (amplificarea in tensiune ajunge egala cu unitatea) a unui etaj EC atacat de un generator ideal de tensiune si lucrand in gol.

3 Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar in conexiune colector comun

In Fig.12 a este prezentat un amplificator cu tranzistor bipolar in conexiune colector comun. Circuitul de polarizare al tranzistorului este similar celui utilizat in cazul conexiunii EC (). De asemenea, condensatoarele din schema ( si ) au acelasi rol si trebuie sa indeplineasca aceleasi conditii ca si condensatoarele omoloage din schema amplificatorului EC (vezi paragraful 2). Spre deosebire de configuratia etajului EC, aici lipsesc condensatorul si rezistenta prin aceasta fortandu-se functionarea tranzistorului in conexiunea CC. Astfel, emitorul nu mai este legat direct la masa ci prin , iar colectorul este conectat in curent alternativ la masa prin sursa de alimentare. Aceasta se observa usor din schema echivalenta in curent alternativ a amplificatorului CC prezentata in Fig.12 b obtinuta din schema amplificatorului(Fig.12 a), considerand condensatoarele ca niste scurtcircuite si inlocuind si in derivatie cu .

Schema de curent alternativ detaliata se obtine inlocuind tranzistorul cu circuitul sau echivalent descris cu parametrii hibrizi(Fig.13 a) si considerand si . Chiar daca tranzistorul functioneaza in conexiune colector comun, sunt utilizati parametri hibrizi in conexiune emitor comun in scopul obtinerii unor relatii de calcul in care intervin aceiasi parametri care pot fi obtinuti direct din catalog.

Se observa ca intrarea nu mai este separata de iesire, adica etajul nu mai este un amplificator unidirectional, chiar daca s-a neglijat reactia interna a tranzistorului(). Circuitul de intrare si cel de iesire au in comun impedanta(rezistenta) de sarcina. Ca urmare, va fi influentata de , iar va depinde de .

Considerand ca si se calculeaza :

(43)

(44)

Una din conditiile de proiectare a retelei de polarizare este cea care asigura stabilitatea punctului de functionare[2]:

(45)

Deoarece in practica de regula este un ordin de marime mai mare decat se poate scrie(neglijand ) ca . Avand in vedere ca , se obtine din (45) ca , ceea ce justifica relatia (44). Aceasta relatie arata ca rezistentele divizorului de baza, alese din considerente de polarizare, scurtcircuiteaza rezistenta de intrare a tranzistorului si limiteaza astfel rezistenta de intrare a etajului. are valori uzuale de sau zeci de iar are valori de sute de .

Oricum, ca urmare a nedecuplarii , rezistenta de intrare a amplificatorului CC este mai mare decat rezistenta de intrare a etajului EC si se poate considera atacul etajului CC in tensiune.

Rezistenta de iesire a etajului se defineste pentru si se calculeaza utilizand circuitul din Fig.13 b in care tensiunea de iesire este simulata cu un generator de tensiune . Notand se obtin succesiv

(46)

(47)

Justificarea relatiei (47) este urmatoarea: daca care este mult mai mic decat (zeci de ) este de ordinul , atunci pentru de ordinul sutelor, se obtine de ordinul zecilor de si tinand seama de faptul ca este de sute de sau , avem ca >> ceea ce duce la inegalitatea(47).

Deci rezistenta de iesire a etajului CC este foarte mica(zeci de ohmi). Valoarea minima a rezistentei de iesire se obtine pentru .

(48)

aceasta fiind egala cu rezistenta de intrare emitor-baza in conexiunea baza comuna, cu (vezi relatia 53).

Avand rezistenta de intrare mare si rezistenta de iesire mica etajul CC poate fi privit ca un amplificator de curent. Amplificarea in tensiune a etajului se calculeaza utilizand schema din Fig.13 a, utilizand notatia:

(49)

Amplificarea in tensiune este subunitara, dar foarte apropiata de unitate (valori uzuale de 0,98;0,99 ) deci de fapt etajul nu amplifica in tensiune.

Daca , atunci si etajul poate fi considerat ca un repetor de tensiune (repeta la iesire tensiunea aplicata la intrare) cele doua tensiuni fiind in faza.

Expresia amplificarii in curent se obtine utilizand schema din Fig.13 a si ea este conform [2] de forma urmatoare:

(50)

Semnul minus semnifica faptul ca sensul real al curentului este opus celui considerat in Fig.11 a . Se observa ca are loc o pierdere a unei parti din amplificarea in curent a tranzistorului prin divizarea curentului atat la intrare cat si la iesirea etajului. Tinand seama de faptul ca se obtine:

, (51)

si deoarece , se poate obtine o amplificare in curent mult supraunitara, dar oricum mai mica decat .

Avand in vedere ca o pierdere substantiala de curent apare din cauza divizorului care polarizeaza baza, se poate mari daca se renunta la acest divizor si se utilizeaza o singura rezistenta in baza, care este de valoare mare si duce la dispersia parametrilor tranzistorului.

Pierderile de curent apar si prin divizarea curentului alternativ de emitor intre rezistenta de sarcina si rezistenta din emitor . Nu se poate alege >> deoarece ar creste foarte mult caderea de tensiune continua pe . Ar fi util pentru micsorarea pierderilor in curent alternativ, daca ar fi o rezistenta neliniara mare in curent alternativ si mica in curent continuu. Se poate inlocui cu un generator de curent care ar asigura polarizarea tranzistorului din etajul de amplificare cu un curent bine determinat(constant) si ar face ca sa fie practic egal cu curentul din emitor, inlaturand astfel pierderile in curent alternativ.

Amplificarea in tensiune a etajului este . Ca urmare este in faza cu si au aproximativ aceiasi marime. Din aceasta cauza etajul CC mai este numit repetor de tensiune sau repetor pe emitor.

Daca etajul de amplificare ar fi echipat cu o trioda in conexiune anod comun, atunci ar avea numele de repetor pe catod sau repetor catodic, iar daca etajul ar fi echipat cu un tranzistor unipolar in conexiune drena comuna, ar avea numele de repetor pe sursa. In mod evident, comportarea etajului este aceiasi pentru toate cele trei variate de dispozitive active.

Repetorul pe emitor amplifica in curent si cum , el amplifica si in putere.

Tinand seama de comportarea repetorului pe emitor, se pot evidentia doua proprietati ale acestuia:

permite debitarea unui curent alternativ important printr-o rezistenta de sarcina de valoare relativ mica, fara ca amplitudinea tensiunii sa scada apreciabil.

ofera o impedanta de intrare mare pentru etajul precedent care poate fi un etaj de amplificare in tensiune sau un oscilator(ambele necesita rezistenta de sarcina mare pentru o functionare corecta)

Aceste doua proprietati sunt o manifestare a calitatii repetorului de etaj transformator de impedanta.

Deci repetorul pe emitor este utilizat ca etaj de iesire(de putere) si pentru adaptarea cu sarcina.

Este de remarcat ca etajul ofera o capacitate de intrare mica, ceea ce ii permite o comportare buna la frecvente ridicate.

4. Etaj de amplificare cu tranzistor bipolar in conexiune baza comuna

Schema unui etaj de amplificare BC avand tranzistorul polarizat cu doua surse de alimentare este prezentata in Fig. 14. a. Condensatorul C_G si C_s au rol de cuplaj si de separare in curent continuu. Ele au ca si la etajele precedente o capacitate suficient de mare pentru ca la frecventa minima din banda de lucru a amplificatorului sa poata fi considerate ca niste scurtcircuite.

a) b)

Fig. 14.

Polarizarea tranzistorului cu doua surse de alimentare nu este convenabila din punct de vedere practic si de aceea este utilizata varianta din Fig. 14. b, cu o singura sursa de alimentare. Se observa ca circuitul de polarizare al tranzistorului in conexiune BC este identic cu cel utilizat pentru celelalte doua conexiuni si in mod evident se calculeaza la fel, urmarind realizarea stabilizarii cu temperatura a punctului static ales pentru functionarea in clasa A.

Condensatorul C realizeaza decuplarea rezistentei R₂ in curent alternativ si conectarea bazei la masa. El va avea o capacitate suficient de mare pentru ca la frecventa minima din banda de lucru a amplificatorului sa poata fi considerat scurtcircuit.

Pentru ambele variante, schema de curent alternativ este aceeasi, fiind prezentata in Fig. 15. a. Daca se inlocuieste tranzistorul cu circuitul sau echivalent descris cu parametrii hibrizi in conexiune emitor comun (motivatia utilizarii parametrilor h_e este aceeasi ca si pentru etajul BC, vezi paragraful 3.) se obtine schema din Fig. 15. b, care se va utiliza pentru studiul comportarii etajului in regim dinamic.

a) b)

Fig. 15.

Pentru a calcula rezistenta de nitrare a tranzistorului si a etajului se neglijeaza h_12e si h_22e. Pentru nodul E (emitor) se poate scrie, conform legii I a lui Kirchhoff:

(5)

Folosind relatia (5), rezistenta de intrare a tranzistorului este:

(53.)

Pentru un tranzistor de mica putere, h_11e este de ordinul kΩ, iar R_21e de ordinul sutelor, astfel ca R_int,T pentru un tranzistor in conexiune BC este mica, de ordinul zecilor de ohmi.

Rezistenta de intrare a etajului va fi:

(54.)

Cum R_E pentru un amplificator de semnal mic este de sute de ohmi sau KΩ, rezistenta de intrare a etajului BC este cu putin mai mica decat R_intr,T.

Deoarece rezistenta de intrare este foarte mica (zeci de ohmi), vom considera etajul BC atacat in curent, asa cum este aratat in Fig. 15. b. Rezistenta de iesire pentru este:

(55.)

Daca se considera R_C ca rezistenta de sarcina, atunci R_ies,T este foarte mare. Se poate estima valoarea acestei rezistente considerand h_22e=0, expresia ei fiind [2]:

(56.)

si poate atinge valori de ordinul MΩ .

Avand rezistenta de intrare foarte mica si rezistenta de iesire foarte mare, etajul BC se apropie de un amplificator ideal de curent. Neglijand h_22e, amplificarea in curent a tranzistorului in conexiune BC este:

(57)

Semnul minus semnifica faptul ca sensul real al curentului este opus celui considerat in Fig. 15. b. Deci amplificarea in curent a tranzistorului propriu - zis este subunitara si etajul nu poate fi considerat un amplificator de curent.

Caracterul ideal al amplificatorului consta in independenta amplificari in curent de circuitul exterior.

Considerand , amplificarea in tensiune a etajului este:

(58.)

Aici s-a considerat R_C ca rezistenta de sarcina a etajului si de asemenea, nu tine seama de R_E deoarece si .

Din relatia (58.) se observa ca etajul BC amplifica considerabil in tensiune si expresia amplificarii are aceeasi forma ca si in cazul etajului EC, cu exceptia semnului (tensiunea de iesire e in faza cu tensiunea de intrare).

Daca rezistenta R_C este incorporata etajului astfel incat conform (55.), , atunci amplificatorul BC poate fi privit ca un amplificator transrezistenta. El furnizeaza la bornele unei rezistente , amplasata in paralel cu R_C o tensiune si deci amplificarea etajului va fi de forma:

(59.)

Etajul BC are dezavantajul ca nu asigura amplificarea in curent si deci realizeaza o amplificare in putere mai mica decat etajul EC, in schimb se comporta mult mai bine la frecvente inalte, avand o capacitate de intrare mult mai mica decat cea de la schema EC.

5. Conceptul de reactie

Sa consideram un amplificator al carui semnal de intrare este furnizat de un generator. Cu ajutorul unui atenuator se obtine o fractiune determinata a semnalului de la iesirea amplificatorului. La intrarea amplificatorului propriu - zis se aplica un semnal care este rezultatul insumarii algebrice a semnalului dat de generator cu semnalul "de reactie" obtinut la iesirea atenuatorului. Amplificatorul initial caruia i se adauga atenuatorul si sumatorul, formeaza un amplificator cu reactie.

Daca semnalul de reactie este in faza cu semnalul de intrare, reactia se numeste pozitiva, iar daca semnalul este in antifaza cu semnalul de intrare, reactia este negativa.

Reactia poate fi nedorita (parazita) atunci cand apare din cauza unor influente reciproce ale circuitelor intre ele, fara existenta unui circuit special de reactie anume montat.

In continuare vom lua in considerare numai reactia dorita, care aplicata prin intermediul unui circuit special poate modifica in sensul imbunatatirii performantelor amplificatorului de baza. Prin imbunatatirea performantelor nu se intelege neaparat marirea amplificarii. Dimpotriva, se va folosi o astfel de reactie care cu sacrificarea unei parti din amplificarea initiala a amplificatorului fara reactie (numit amplificator de baza), sa imbunatateasca alte performante care tin de calitatea amplificarii. Este vorba despre reactia negativa. Calitatea amplificarii este data de:

- sensibilitatea redusa la dispersia parametrilor dispozitivelor la variatiile din circuitul exterior amplificatorului (tensiunea de alimentare), etc.

- distorsiuni neliniare reduse in regim de functionare la semnale mari;

- zgomot mai redus;

- raspuns in frecventa cat mai bun;

- stabilitate buna in frecventa (evitarea efectului destabilizant al unor anumite reactii parazite care apar in amplificator la anumite frecvente ale semnalului).

Schema generala a unui amplificator cu reactie este prezentata in Fig. 16

Semnalele X(t) sunt semnale oarecare si pot fi independente unele fata de altele (curenti sau tensiuni).

Fig. 16

Pentru simplitate vom presupune ca:

- circuitele sunt liniare;

- marimile coeficientilor de transfer si nu depind de frecventa;

- amplificatorul de baza este ideal.

Factorul de transfer al amplificatorului de baza (amplificarea) este

(60.)

iar al retelei de reactie este:

(61.)

Ecuatia de functionare a sumatorului este:

(6)

Utilizand relatiile (60.), (61.) si (6) se obtine amplificarea globala, care include si efectul reactiei:

(63.)

Relatia (63.) este de baza in teoria reactiei. Ea se mai scrie si sub forma:

, unde se mai numeste si transmisia pe bucla de reactie si este:

(64.)

Deoarece marimile si sunt marimi complexe, (63.) poate fi pusa sub forma:

(65.)

Modulul si faza amplificarii sunt date de

(66.)

(67.)

In functie de defazajul total φ_A+φ_β, reactia poate fi:

- pozitiva, daca φ_A+φ_β=2kπ, k=0,1,2, , ceea ce inseamna ca cele doua semnale aplicate amplificatorului sunt in faza si expresia amplificarii cu reactie este:

(68.)

- negativa, daca φ_A+φ_β=(2k+1)π, k=0,1,2, , ceea ce inseamna ca cele doua semnale aplicate amplificatorului sunt in antifaza, si expresia amplificarii cu reactie este:

(69.)

In relatiile (68.) si (69.), ca si in cele care urmeaza se considera pentru simplificarea scrierii ca A_r, A, β, etc., sunt modulele marimilor complexe respective.

In amplificatoarele de curent continuu reactia este pozitiva daca cele doua semnale aplicate amplificatorului au aceeasi polaritate si negativa daca au polaritati diferite.

In amplificatoare se utilizeaza reactia negativa care asigura imbunatatirea performantelor amplificatorului si permite obtinerea de scheme cu parametri reproductibili, prin prescrierea unor tolerante stranse numai catorva elemente din circuitul de reactie, care este format din elemente pasive, mult mai stabile decat dispozitivele active. Pretul platit pentru aceste avantaje este necesitatea asigurarii unui castig foarte mare al amplificatorului de baza, in scopul obtinerii valorii impuse pentru A_r in conditiile in care, conform (69.), amplificarea este redusa prin aplicarea reactiei negative.

Un caz particular important este cel al reactiei negative puternice, cand T >> 1, ceea ce inseamna ca A_r << A sau (foarte mare). Se obtine: (70)

independenta de amplificator. Deci, in cazul unei reactii negative puternice, amplificarea cu reactie depinde practic numai de reteaua de reactie. Schematic vorbind, aceasta situatie ilustreaza trecerea cantitatii - castigul foarte mare al amplificatorului de baza, in calitate - stabilitatea amplificatorului cu reactie.

Este si cazul amplificatoarelor operationale care au amplificare foarte mare si care sunt utilizate numai in configuratii cu reactie a caror comportare depinde exclusiv de tipul circuitului de reactie (a se vedea paragraful circuite integrate - amplificatorul operational).

Reactia negativa este mult utilizata in amplificatoare. Daca pentru circuite mai simple se pot aplica tehnici de compensare pentru stabilizarea performantelor, in schimb, pentru circuitele complexe cum ar fi amplificatoarele cu mai multe etaje, reactia negativa (globala aplicata mai multor etaje) este sigurul procedeu care permite obtinerea unor performante stabile.

6. Configuratii ale circuitelor cu reactie negativa

Reactia este de mai multe tipuri, in functie de modul de culegere a semnalului de reactie si de modul de aplicare al acestuia la intrare.

Semnalul de iesire al amplificatorului , care este in acelasi timp semnalul de la intrarea retelei de reactie poate fi:

- o tensiune, cand semnalul de reactie este proportional cu tensiunea de la iesirea amplificatorului si se spune ca avem o reactie de tensiune (semnalul de reactie se culege in paralel cu impedanta de sarcina);

- un curent, cand semnalul de reactie este proportional cu curentul de iesire si se spune ca avem o reactie de curent (semnalul de reactie se culege in serie cu impedanta de sarcina);

Semnalele asociate sumatorului ( si ) pot fi independent de fie curenti fie tensiuni. Deci semnalul de la iesirea retelei de reactie poate fi:

- o tensiune, aplicata in serie cu tensiunea data de generator si avem o reactie serie;

- un curent, aplicat in paralel cu cel dat de generator si atunci avem o reactie paralel.

Prin urmare, exista patru configuratii distincte, prezentate in cele ce urmeaza. Tipul generatorului de semnal va fi adaptat configuratiei circuitului de intrare. Daca semnalul de la iesirea retelei de reactie este o tensiune, se foloseste o reprezentare tip "serie", cu generator de tensiune, iar daca este un curent, se utilizeaza o reprezentare de tip paralel, cu generator de curent.

Reactia de tip serie-paralel (serie la intrare, paralel la iesire), Fig.17, se aplica unui amplificator de tensiune, deoarece semnalele cu care se opereaza la intrarea si la iesirea amplificatorului de baza sunt tensiuni. Semnalul de reactie proportional cu tensiunea de iesire, se culege in paralel cu impedanta de sarcina si se aplica in serie cu semnalul dat de generator, astfel ca semnalul de intrare in amplificatorul; de baza a fi suma tensiunilor U_g si U_r. De aceea aceste tip de reactie se mai numeste reactie de tensiune serie. Amplificatorul de baza, de tensiune, este caracterizat prin inegalitatile

Reactie de tip paralel-serie (Fig.18). Semnalul de reactie, proportional cu curentul de iesire I₂ care circula prin Z_s, se culege in serie cu impedanta de sarcina si se aplica in paralel cu semnalul dat de generator. Curentul de intrare in amplificator este I₁ =I_g+I_r. Acest tip de reactie se mai numeste reactia de curent paralel. Deoarece semnalele cu care se opereaza la intrare si la iesire sunt curenti, amplificatorul de baza trebuie sa fie un amplificator de curent caracterizat prin inegalitatile: si

Reactia de tip paralel-paralel sau de tensiune paralel (Fig. 19). Semnalul de reactie proportional cu tensiunea de iesire, se culege in paralel cu impedanta de sarcina si se aplica in paralel cu semnalul dat de generator.

Deoarece semnalul de intrare este curent iar cel de iesire este tensiune, amplificatorul de baza este un amplificator transimpedanta, al; carui

coeficient de amplificare are semnificatia unei impedante: . Acest amplificator este caracterizat de inegalitatile: si

Reactia de tip serie-serie, sau de curent serie (Fig.20). Semnalul de reactie proportional cu curentul de iesire, se culege in serie cu sarcina si se aplica in paralel cu semnalul dat de generator. Semnalul de intrare este tensiune iar cel de iesire este curent, astfel ca amplificatorul de baza este de tipul transadmitantei, caracterizat de inegalitatile: si . Coeficientul sau de amplificare are semnificatia unei admitante: .

Pentru fiecare tip de reactie, s-au Figurat si marimile electrice care sunt comune intrarii amplificatorului de baza si iesiri retelei de reactie. Astfel, marimea de intrare este tensiunea, iar marimea comuna intrarii amplificatorului si iesirii retelei de reactie este curentul I₁ pentru reactiile serie-paralel (Fig.17) si serie-serie (Fig.20).

Pentru reactiile paralel-serie (Fig.18) si paralel-paralel (Fig.19), marimea comuna conFiguratiei de intrare este tensiunea U₁.

Observatie: Teoria reactiei este mult simplificata daca se indeplineste conditia ca reteaua de reactie dintr-o schema bine determinata sa poata fi realizata. In realitate reteaua de reactie incarca atat circuitul de intrare cat si circuitul de iesire al amplificatorului, astfel incat conectarea acestei retele produce mai multe modificari in calcule decat simpla adaugare a semnalului de reactie in circuitul de intrare al amplificatorului.

7. Influenta reactiei negative asupra benzii de frecventa a distorsiunilor neliniare si a impedantelor de intrare si de iesire ale amplificatorului

Sa presupunem ca amplificatorul de baza si reteaua de reactie au functiile de transfer A(jω) si β(jω) independente de circuitul exterior, dar dependente de frecventa. Amplificarea de reactie va fi de forma.(69):

_(j)=

Reactia pozitiva si reactia negativa se definesc in acest caz la fel ca in paragraful 5.1. Deoarece A(jω) si β(jβ) se modifica atunci cand ω variaza, in acelasi circuit fizic poate exista o reactie negativa pe anumite domenii de frecventa si pozitiva pentru celelalte frecvente. Se poate demonstra teoretic si verifica practic faptul ca amplificatoarele cu reactie negativa pot avea o comportare instabila din cauza aparitiei unei reactii pozitive, parazite, pe anumite domenii de frecventa.

Pericolul ca amplificatorul sa devina instabil, impreuna cu reducerea factorului de amplificare al sistemului, pot fi considerate ca fiind dezavantajele reactiei negative.

Daca notam cu f_I si f_s frecventele limita ale benzii amplificatorului la 3dB, in absenta reactiei, si cu f_ir si f_sr frecventele limita in prezenta reactiei, atunci sunt valabile relatiile:

f ; f=f A)   

Pentru f_s >> f_I banda de lucru a amplificatorului fara si respectiv cu reactie, este:

B=f-ff

B=f-f f=f(1+=B(1+

Din (74) se observa o marire a benzii ca urmare a aplicarii reactiei negative. Aceasta marire a benzii are loc, conform (72) prin micsorarea frecventei limita inferioara si marirea frecventei limita superioara.

Produsul amplificare banda se conserva:

A

Deci banda amplificatorului cu reactie negativa creste exact in raportul in care scade amplificarea. Se poate spune ca efectul reactiei negative consta in acest caz in efectul pe care il exercita asupra compromisului amplificare banda.

Reactia negativa are un efect favorabil si asupra distorsiunilor neliniare ale amplificatoarelor pe care le reduce in raportul (1+βA):

K

unde K si K_r reprezinta coeficienti de distorsiuni neliniare fara reactie si respectiv cu reactie negativa.

Modul in care circuitul de reactie negativa reduce efectul neliniaritatii amplificatorului este prezentat in cele ce urmeaza. Amplificatorul de baza continua sa distorsioneze. Semnalul care ataca acest amplificator va fi predistorsionat de catre semnalul de reactie, care este proportional cu semnalul de iesire distorsionat, fiind astfel modificat, incat dupa trecerea prin amplificator sa fie refacuta forma originala a semnalului de la generator.

Pretul platit pentru imbunatatirea neliniaritatii este reducerea amplificarii. Se va introduce ca urmare un amplificator suplimentar care lucreaza liniar (la semnal mic).

Reactia negativa reduce efectul semnalelor parazite, imbunatatind raportul semnal-zgomot al amplificatorului. Reducerea zgomotului la iesirea amplificatorului cu reactie negativa se explica tot prin predistorsionarea semnalului aplicat la intrarea amplificatorului cu co componenta de zgomot inversata ca faza, introdusa de reteaua de reactie negativa.

In mod evident, reactia negativa nu poate avea nici un efect asupra raportului semnal zgomot, daca zgomotul este introdus in circuit in acelasi punct in care se introduce si semnalul util. Ea este eficace numai daca semnalul parazit apare in interiorul amplificatorului. In practica se realizeaza reducerea efectului unui semnal parazit prin reactie negativa, adaugand un amplificator de semnal mic, care este imun la perturbatia respectiva.

Reactia negativa are efecte favorabile asupra impedantei de intrare si respectiv de iesire a amplificatorului de baza, deoarece produce modificari intr-un asemenea sens incat amplificatorul tinde sa se transforme intr-un amplificator ideal.

Efectul reactiei negative asupra impedantei de intrare este determinat de tipul reactiei de intrare:

reactie negativa serie la intrare:

Z

unde Z_in este impedanta de intrare a amplificatorului fara reactie, iar Z_ins serie este impedanta de intrare a amplificatorului cu reactie serie la intrare sau rezistenta de iesire a retelei de reactie vazuta la bornele de intrare ale amplificatorului de baza.

reactie negativa paralel la intrare:

Z

Efectul reactiei negative asupra impedantei de iesire este determinat de tipul reactiei de iesire:

reactie paralel de iesire:

Z

unde A_U∞=A_U/R_S→ ∞, amplificarea in tensiune in gol (maxima);

reactie serie la iesire

(80)

unde A_Io= A_I/R_S→0, amplitudinea in curent in scurtcircuit (maxima).

De exemplu in cazul reactiei negative aplicate unui amplificator de tensiune, impedanta de intrare creste (este multiplicata cu 1+T>1), iar impedanta de iesire scade (dar nu in raportul in care scade amplificarea, deoarece se calculeaza cu transmisia pe bucla considerata in gol T*=T/R_{S→ ∞}=β.A_U/R_s→∞).Prin cresterea impedantei de intrare si scaderea impedantei de iesire, respectiv citit in tensiune, deci este un amplificator de tensiune mai bun (tinde spre un amplificator ideal de tensiune).