Studiul reactiei negative

Studiul reactiei negative

1. Scopul lucrarii

studierea functionarii unui amplificator de semnal mic cu reactie negativa;

evidentierea influentarii raspunsului amplificatorului cu reactie negativa si determinarea frecventelor limita superioara si limita inferioara.

2. Consideratii teoretice

Reactia negativa este mult folosita in amplificatoare deoarece se obtin o serie de avantaje importante:

cel mai semnificativ este acela ca reactia negativa stabilizeaza castigul amplificatorului fata de modificarile parametrilor dispozitivelor active induse de variatiile surselor de alimentare, de variatiile de temperatura, de imbatranirea componentelor;

prin folosirea reactiei negative proiectantul poate modifica dependentele de intrare si de iesire ale circuitului asa cum doreste;

reducerea distorsiunilor formei de unda a semnalului (distorsiuni de nivel); din acest motiv aproape toate amplificatoarele audio de mare calitate aplica o reactie negativa etajului de iesire de putere;

determina o crestere a benzii circuitului fiind mult utilizate amplificatoarele de banda larga.

Avantajele mentionate sunt insotite de doua dezavantaje:

primul si cel mai important dezavantaj consta in reducerea castigului circuitului aproape direct proportional cu marimea avantajelor obtinute. Compensarea scaderii amplificarii (castigului) se poate face prin adaugarea de etaje de amplificare suplimentare, ceea ce duce la cresterea costului;

o a doua problema potentiala asociata folosirii reactiei negative este data de tendinta de oscilatie care apare in circuit. Aceasta se studiaza cu criteriul de stabilitate Nyquist.

Schema de principiu a reactiei ideale negative se arata in figura 5.1.

unde:

x_i, x_e - semnale de intrare si iesire care pot fi curenti sau tensiuni;

x_r - este semnalul care este trimis inapoi spre intrarea de reactie;

x_d - este semnalul de eroare care intra in amplificatorul de pe calea directa, a carui functie de transfer (castig) este ;

M - este "mixer" care aduna semnalele in antifaza x_i si x_r si se obtine: x_d = x_i-x_r.

Reteaua de reactie are o functie de transfer (factor de transfer):

b = x_r/x_e.

Functia de transfer a amplificatorului cu reactie este:

.

Amplificatoarele cu reactie concrete sunt compuse din circuite care au ca semnale de intrare curenti sau tensiuni, producand la iesire curenti sau tensiuni. Deci, pentru a urmari functionarea amplificatorului cu reactie la nivelul circuitului concret, este necesar sa se specifice detaliile modului in care se formeaza si se aplica semnalul de reactie si circuitele utilizate pentru realizarea acestor operatii. Pentru amplificatoarele cu reactie exista patru circuite distincte cu reactie:

circuite cu reactie de tensiune - serie;

circuite cu reactie de tensiune - paralela;

circuite cu reactie de curent - serie;

circuite cu reactie de curent - paralel;

2.1 Circuit cu reactie de tensiune serie.

Schema circuitului este prezentata in fig 5.2.

Figura 5.2

unde: A=U₂/U₁

β=U_r/U₂

A_r=U₂/U_i

U₁=U_i-U_r

In fig.5.3 avem aplicatia tipica pentru un amplificator de tesiune cu reactie negativa de tesiune serie.

Figura 5.3.

unde: β=U_r/U₂ dar U_r≈U₂ => β≈1

A_r=U₂/U_i U₂≈U_i => A_r≈1

Daca notam

Z_0r - independenta de iesire a circuitului cu reactie

Z₀ - independenta de iesire a circuitului fara reactie

Z_ir - independenta de intrare a circuitului cu reactie

Z_i - independenta de intrare a circuitului fara reactie

avem:

Z_ir= Z_i*(1+Aβ)

Z_0r= Z₀/(1+Aβ); Z_0r - este foarte mica

2.2. Amplificator cu reactie negativa de tensiune paralela

Figura 5.4

Schema bloc a unui amplificator cu reactie de tensiune paralela este data in fig.5.4. Blocul de pe calea directa este un amplificator cu transfer de impedanta.

A = U₂/I₁ = Az - este o transimpedanta (impedanta de transfer)

A_r = U₂/I_i =A_zr - impedanta de transfer a circuitului cu reactie

β = U₂/I_r = β_y - este o transconductanta (conductanta de transfer)

Z_ir = Z_i/(1+A_zβ_y) - impedanta de intrare a circuitului cu reactie

Z_0r = Z₀/(1+A_zβ_y)- impedanta de iesire a circuitului cu reactie

In fig 5.5.avem o aplicatie pentru acest tip de amplificare cu reactie. Rezistenta R_B asigura polarizarea tranzistorului, cat si inchiderea reactiei negative. Circuitul are reactie negativa pentru ca rezistenta R_B este conectata intre 2 puncte care au potentiale in antifaza.

Schema bloc este in fig.5.6.

Figura 5.6

Blocul de pe calea directa este un amplificator cu transfer de admitanta cu factorul de amplificare:

A = I₂/U₁ = A_y - admitanta de transfer

β = U_r/I₂ = β_z - impedanta de transfer a circuitului de reactie

A_r = I₂/U_i =A_ry -admitanta de transfer a amplificatorului cu reactie

Impedanta de intrare si cea de iesire vor avea expresiile:

Z_ir = Z_i(1+β_zA_y)

Z_0r = Z₀(1+β_zA_y)

O aplicatie tipica este cea din fig. 5.7. Circuitul de reactie il constituie rezistenta R_E.

Figura 5.7

2.4.Amplificator cu reactie paralela de curent.

Schema bloc este in fig. 5.8.

Avem relatiile:

A = I₂/I₁ = A_I -amplificare in curent a amplificatorului fara reactie

β = I_r/I₂ = β_I -amplificarea in curent a circuitului de reactie

A_r = I₂/I_i = A_ri -amplificarea in curent a amplificatorului cu reactie

Z_ir = Z_i/(1+β_IA_I) -rezistenta de intrare a circuitului cu reactie

Z_0r = Z₀(1+β_IA_I) -rezistenta de iesire

Aplicatia acestui tip de reactie este prezentata in fig. 5.9.

Reactia de curent paralela nu este locala, ea nu poate fi aplicata unui singur etaj de amplificare, ci numai peste doua etaje.

Circuitul de reactie este format de rezistenta R_r.

3.Desfasurarea lucrarii

3.1.Se identifica montajul din fig.5.10 de pe platforma macheta:

In afara montajului pentru efectuarea lucrarii se folosesc urmatoarele:

Ec sursa de tensiune continua stabilizata si reglabila;

multimetru numeric sau analogic;

generator de semnal sinusoidal cu tensiune si frecventa reglabila;

miliampermetru.

3.2. Pentru realizarea amplificatorului cu reactie negativa de curent serie se executa pe platforma macheta montajul din fig5.7. efectuand legaturile intre bornele: 5 cu 6 si 11 cu 12 (se face o comparare intre amplificatorul cu reactie si cel fara reactie).

3.2.1. Se decupleaza rezistenta R_E scurtcircuitand borna 10 cu 9 (se conecteaza C_E) si eliminam reactia negativa a amplificatorului.

3.2.1.1. Se determina punctul static de functionare al tranzistorului. Se masoara I_C montand intre bornele 14 si 15 un mA si se masoara U_CE cu un voltmetru intre bornele 15 si 10.

La intrarea amplificatorului (borna 3) se aplica un semnal sinusoidal cu amplitudinea U_i=10mV si frecventa variabila intre 20Hz si 1,4MHz, se masoara semnalul de iesire U₂ si se completeaza tabelul 5.1, unde:

A_Y = I₂ /U_i' = U₂/U_i'*1/R_S

Tabelul 5.1

Se traseaza caracteristica de frecventa: A_Y(jw)|=f(w).

Din grafic se determina modulul amplificarii A_y0 la frecvente medii si se compara cu cea calculata. Tot din grafic se determina frecventele limita f_j si f_s corespunzatoare scaderii amplificarii la 0,707 A_y0|.

Se calculeaza produsul P= A_y0*(f_s-f_j).

3.2.1.2. Pentru determinarea rezistentei de intrare a circuitului se conecteaza generatorul de semnal intre borna 1 si 4 si se aplica un semnal U_i = 1V si frecventa f=1kHz. Se masoara U_i si se calculeaza R_i cu ajutorul relatiei:

3.2.1.3. Pentru determinarea rezistentei de iesire a circuitului se decupleaza R_L (se desface legatura intre bornele 11 si 12) si se scurtcircuiteaza intrarea, bornele 3 si 4. Se aplica la borna 11 de la un generator de semnal sinusoidal inseriat cu un mA (care masoara curentul ce trece prin C_c - I_cc) un semnal: U₂' = 1V si f = 1KHz. Se calculeaza R₀ cu relatia:

R₀ = U₂'/ I_cc

3.2.2. Pentru a cupla reactia negativa la amplificatorul cu reactie negativa serie de curent se deconecteaza condensatorul C_E prin desfacerea legaturii intre bornele 9 si 10.

3.2.2.1. Se cupleaza sarcina prin scurtcircuitarea bornelor 11 si 12.

De la un generator de semnal sinusoidal, se aplica la borna 3 un semnal U_i' =10mV si se masoara cu un voltmetru electronic U₂.

Se ridica caracteristica de frecventa pentru:

|A_ry(jw)| = I₂/U_i = (U₂/R_s)*(1/U_i),

adica |A_ry(jw)| =f (w), completandu-se tabelul 5.1, se trece in tabel in casuta corespunzatoare lui A_y valoarea lui A_ry.

Dupa trasarea caracteristicii din grafic se determina A_ryo si se compara cu valoarea din relatia: A_ry0 = A_y0/(1 + βA_y),

unde: β = U_r/I₂ = (-R_E' * I₂ )/I₂ = -R_E

Din grafic se mai determina si limitele de frecventa corespunzatoare amplificatorului cu reactie f_rs si f_rj si se compara cu valorile obtinute din relatiile:

f_rs = f_s(1+βA_y0) si f_rj = f_j/(1+βA_y0).

Se calculeaza produsul amplificare banda pentru amplificatorul cu reactie: P_r = A_ry(f_s - f_j)

3.2.2.2. Masurarea rezistentei de intrare R_ir si a rezistentei de iesire R_0r ale amplificatorului cu reactie, se va face repetand operatiile de la punctele 3.2.1.2. si 3.2.1.3. si se compara valorile cu cele obtinute din relatiile:

R_ir = R_i(1+βA_y0) si R_or = R₀(1+βA_y0 )

3.3. Pentru studierea amplificatorului cu reactie negativa paralel de tensiune (amplificator cu transfer de rezistenta) se executa pe platforma macheta montajul din fig.5.5, efectuand legaturile intre bornele 6 si 7 si respectiv 11 si 12.

Se studiaza comportarea amplificatorului cu reactie si fara reactie.

3.3.1. Se elimina reactia negativa prin conectarea condensatorului C_BE1 in circuit, facand legatura intre bornele 8 si 9.

3.3.1.1. Se determina PSF al tranzistorului, se masoara I_c montand un mA intre bornele 14 si 15 si se masoara U_CE cu un voltmetru intre bornele 10 si 15.

La intrarea amplificatorului (borna 2) se aplica un semnal sinusoidal U_i=1V si se modifica frecventa intre 20Hz si 1,4 MHz. Se masoara semnalul U_i' si U₂ cu un voltmetru electronic si se ridica caracteristica de frecventa:

|Az(jw)|=f (w), Az = U₂/I₀=U₂R₂/(U_i-U_i')

prin completarea tabelului 5.2.

Tabelul 5.2

Din grafic se determina A_z0, banda de frecventa limita de trecere (f_i, f_s) din intersectia caracteristicii de frecventa cu dreapta:

|A_z(jw)| = 0,707A_z0.

Se calculeaza produsul amplificare banda P = A_z0(f_s - f_j).

3.3.1.2. Determinarea rezistentei de intrare a circuitului se face conectand generatorul de semnal la intrare intre bornele 2 si 4 si se aplica un semnal sinusoidal U_i =1V si f=1kHz. Se masoara semnalul Ui' si se calculeaza R_i cu relatia:

R_i = U_i/I_i =[U_i'/(U_i - U_i')]*R₂

3.3.1.3. Determinarea rezistentei de iesire se face conectand generatorul de semnal la iesire in locul sarcinii (se desface legatura dintre bornele 11 si 12), conectand generatorul de semnal intre bornele 11 si 13 inseriat cu un mA. De la generator se aplica un semnal sinusoidal U₂'=1V si f = 1kHz. La mA se masoara curentul ce trece prin condensatorul C_c, adica I_cc. Intrarea se scurtcircuiteaza, adica se leaga bornele 3 si 4 impreuna si rezistenta R₀ se calculeaza cu relatia:

R₀ = U₂'/I_cc

3.3.2 Studierea amplificatorului cu reactie negativa paralela de tensiune se face decupland condensatorul C_B1 (se desface legatura intre bornele 8 si 9) si cupland sarcina (se scurtcircuiteaza bornele 11 si 12).

3.3.2.1 Se aplica un semnal sinusoidal la intrarea amplificatorului U_i=1V, f = 1kHz, se completeaza tabelul 5.2, unde se trece A_zr cu aceeasi formula de calcul. Se traseaza caracteristica de frecventa |A_yr(jw)|=f(w). Din grafic se determina A_yr0, f_jr si f_sr, si se compara cu valorile calculate:

A_zr0 = A_z0/(1+β_yA_z0)

f_jr = f_j(1+β_yA_z0)

f = f_s/(1+β_yA_z0)

unde: β = -1 /(R_B' +R_B'').

Se calculeaza produsul amplificare banda Pr = A_zr0(f_s - f_jr).

3.3.2.2. Se calculeaza rezistenta de intrare R_ir si rezistenta de iesire R_0r urmand pasii 3.3.1.2 si 3.3.1.3.

Se verifica relatiile:

R_ir = R_i/(1+β_yA_z0)

R_0r = R₀/(1+β_yA_z0)

4. Continutul referatului

4.1. Schemele utilizate.

4.2. Caracteristicile de frecventa utilizate.

4.3. Calculul parametrilor amplificatoarelor la frecvente medii: amplificarea, rezistenta de intrare, rezistenta de iesire. Se vor compara valorile obtinute experimental cu cele calculate.

4.4. Concluzii asupra lucrarii.