Amplificator este termenul generic folosit pentru a descrie un circuit care produce și crește versiunea semnalului său de intrare. Dar, nu toate circuitele amplificatoare sunt la fel, deoarece sunt clasificate conform configurațiilor lor de circuit și modurile de funcționare.

În "Electronică", amplificatoarele de semnal mici sunt dispozitive utilizate în mod obișnuit deoarece au abilitatea de a amplifica un semnal de intrare relativ mic, de exemplu de la un senzor, cum ar fi un foto-dispozitiv, într-un semnal de ieșire mult mai mare pentru a comanda un releu, lampă, difuzor, de exemplu.

Există multe forme de circuite electronice clasificate ca amplificatoare, de la amplificatoare operaționale și amplificatoare de semnal mici până la amplificatoare de semnal mare și de putere. Clasificarea unui amplificator depinde de mărimea semnalului, mare sau mic, configurația sa fizică și modul în care procesează semnalul de intrare, adică relația dintre semnalul de intrare și curentul care circulă în sarcină.

Tipul sau clasificarea unui amplificator este prezentat în tabelul următor.

Clasificarea amplificatorului de semnal

Amplificatoarele pot fi considerate ca o cutie sau un bloc simplu care conține dispozitivul de amplificare, cum ar fi un tranzistor bipolar, un tranzistor cu efect de câmp sau un amplificator operațional, care are două terminale de intrare și două terminale de ieșire (masa fiind comună), semnalul de ieșire fiind mult mai mare decât semnalul de intrare, deoarece a fost "amplificat".

Un amplificator de semnal ideal va avea trei proprietăți principale: rezistența de intrare sau RIN, rezistența de ieșire sau ROUT și, desigur, amplificarea, cunoscută în mod obișnuit ca Gain=câștig sau A. Indiferent cât de complicat este un circuit amplificator, un model de amplificator general poate fi utilizat pentru a arăta relația dintre aceste trei proprietăți.

Model de amplificator ideal

Diferența amplificată dintre semnalele de intrare și de ieșire este cunoscută ca câștig al amplificatorului. Câștigul este, în principiu, o măsură a cât de mult un amplificator amplifică semnalul de intrare. De exemplu, dacă avem un semnal de intrare de 1 volt și o ieșire de 50 de volți, atunci câștigul amplificatorului va fi "50". Cu alte cuvinte, semnalul de intrare a fost crescut cu un factor de 50. Această creștere se numește Gain = câștig.

Câștigul amplificatorului este pur și simplu raportul dintre ieșire și intrare. Câștigul nu are unități fiind raport, dar în Electronică este de obicei dat simbolul "A" pentru Amplificare. Deci câștigul unui amplificator este pur și simplu calculat ca "semnal de ieșire împărțit la semnalul de intrare".

Câștigul amplificatorului

Introducerea câștigului amplificatorului poate fi considerată a fi relația care există între semnalul măsurat la ieșire și semnalul măsurat la intrare. Există trei tipuri diferite de câștig amplificator care pot fi măsurate și acestea sunt: câștigul de tensiune (Av), câștigul de curent (Ai) și câștigul de putere (Ap) în funcție de cantitatea măsurată, cu exemple ale acestor tipuri diferite de câștiguri fiind prezentate mai jos.

Câștigul de amplificare al semnalului de intrare

Câștigul de tensiune al amplificatorului

Câștigul de curent al amplificatorului

Câștigul de putere al amplificatorului

Rețineți că pentru câștigul de putere puteți împărți puterea obținută la ieșire cu puterea obținută la intrare. De asemenea, la calcularea câștigului unui amplificator indicii v, i și p sunt folosiți pentru a indica tipul de amplificare de semnal utilizat.

Câștigul de putere (Ap) sau nivelul de putere al amplificatorului poate fi de asemenea exprimat în Decibeli (dB). Bel (B) este o unitate logaritmică (baza 10) de măsurare care nu are unități. Deoarece Bel este prea mare ca unitate de măsură, este utilizat prefixul deci făcându-l Decibel, o zecime (1/10) a unui Bel. Pentru a calcula câștigul amplificatorului în Decibeli sau dB, putem folosi următoarele expresii.

• Câștigul de tensiune în dB: av = 20 * log (Av)

• Câștigul de curent în dB: ai = 20 * log (Ai)

• Câștigul de putere în dB: ap = 10 * log (Ap)

Rețineți că câștigul de putere DC al unui amplificator este egal cu de zece ori log comun al raportului de ieșire la intrare, unde câștigurile de tensiune și curent sunt de 20 de ori mai mari decât log comun al raportului. Rețineți, totuși, că 20 dB nu are o putere de două ori mai mare decât 10 dB din cauza scalei logaritmice.

De asemenea, o valoare pozitivă de dB reprezintă un câștig, iar valoarea negativă de dB reprezintă o pierdere în amplificator. De exemplu, un câștig de +3 dB al amplificator indică faptul că semnalul de ieșire al amplificatorului s-a "dublat" (x2) în timp ce un câștig de -3dB al amplificatorului indică faptul că semnalul a fost "înjumătățit" (x0,5), sau cu alte cuvinte o pierdere.

Punctul -3 dB al unui amplificator se numește punctul jumătății de putere care este la -3 dB mai jos de maxim, luând 0 dB ca valoare maximă de ieșire.

Amplificator. Exemplul nr. 1

Determinați câștigul de tensiune, de curent și de putere al unui amplificator care are un semnal de intrare de 1mA la 10mV și un semnal de ieșire corespunzător de 10mA la 1V. De asemenea, exprimați toate cele trei câștiguri în decibeli (dB).

Diferitele câștiguri ale amplificatorului:

Câștigurile amplificatorului date în Decibeli (dB):

Deci, amplificatorul are un câștig de tensiune (Av) de 100, un câștig de curent (Ai) de 10 și un câștig de putere (Ap) de 1.000.

În general, amplificatoarele pot fi împărțite în două tipuri distincte, în funcție de puterea lor sau de câștigul de tensiune. Un tip este numit Amplificator de semnal mic care include preamplificatoare, amplificatoare de instrumentație etc. Amplificatoarele de semnal mic sunt proiectate pentru a amplifica nivele foarte mici ale tensiunilor de semnal de numai câțiva microvolți (μV) de la senzori sau semnale audio.

Celălalt tip este numit Amplificatoare de semnal mare, cum ar fi amplificatoare de putere audio sau amplificatoare de comutare a puterii. Amplificatoarele de semnal mari sunt proiectate pentru a amplifica semnale de tensiune de intrare mari sau pentru a comuta curenți de sarcină foarte mari.

Amplificatoare de putere

Amplificatorul de semnal mic este, în general, menționat ca un amplificator de „tensiune“, deoarece acesta convertește, de obicei, o tensiune de intrare mică într-o tensiune de ieșire mult mai mare. Uneori, este necesar un circuit de amplificare pentru a comanda un motor sau pentru a alimenta un difuzor și pentru aceste tipuri de aplicații în care sunt necesari curenți mari de comutare, se cer amplificatoare de putere.

După cum sugerează și numele acestora, sarcina principală a unui "amplificator de putere" (cunoscut și ca un amplificator de semnal mare) este de a furniza putere pentru sarcină și, așa cum știm de mai sus, este produsul tensiunii și curentului aplicat la sarcină cu puterea semnalului de ieșire fiind mai mare decât puterea semnalului de intrare. Cu alte cuvinte, un amplificator de putere amplifică puterea semnalului de intrare, motiv pentru care aceste tipuri de circuite de amplificare sunt utilizate în etajele de ieșire ale amplificatorului audio pentru a acționa difuzoarele.

Amplificatorul de putere funcționează pe principiul conversiei puterii DC extrase din sursa de alimentare într-un semnal de tensiune AC livrat la sarcină. Deși amplificarea este mare, eficiența conversiei de la intrarea sursei de alimentare DC la ieșirea semnalului de tensiune AC este de obicei slabă.

Amplificatorul perfect sau ideal ne-ar da o eficiență de 100% sau cel puțin puterea "IN" ar fi egală cu puterea "OUT". Totuși, în realitate, acest lucru nu se poate întâmpla, deoarece o parte din putere este pierdută sub formă de căldură și, de asemenea, amplificatorul însuși consumă putere în timpul procesului de amplificare. Atunci, eficiența unui amplificator este dată de:

Eficiența amplificatorului

Amplificator ideal

Putem cunoaște specificul caracteristicilor unui amplificator ideal din discuția noastră de mai sus cu privire la câștigul său, adică câștig de tensiune:

- Câștigul amplificatoarelor (A) ar trebui să rămână constant pentru variația valorilor semnalului de intrare.

- Câștigul nu este afectat de frecvență. Semnalele tuturor frecvențelor trebuie să fie amplificate cu exact aceeași cantitate.

- Câștigul amplificatoarelor nu trebuie să adauge zgomot la semnalul de ieșire. Ar trebui să elimine orice zgomot care există deja în semnalul de intrare.

- Câștigul amplificatoarelor nu ar trebui să fie afectat de variațiile de temperatură, dând o bună stabilitate la temperatură.

- Câștigul amplificatorului trebuie să rămână stabil pe perioade lungi de timp.

Clase de amplificatoare electronice

Clasificarea unui amplificator ca amplificator de tensiune, sau ca amplificator de putere se face prin compararea caracteristicilor semnalelor de intrare și ieșire prin măsurarea timpului în raport cu semnalul de intrare la care curentul circulă în circuitul de ieșire.

Am văzut în tutorialul Tranzistor cu emitor-comun că, pentru ca tranzistorul să funcționeze în cadrul "regiunii active", a fost necesară o formă de "polarizare a Bazei". Această mică tensiune de polarizare a Bazei adăugată semnalului de intrare a permis tranzistorului să reproducă forma de undă completă la ieșire, fără pierderi de semnal.

Cu toate acestea, prin modificarea poziției acestei tensiuni de polarizare a bazei, este posibil să se folosească un amplificator într-un mod de amplificare, altul decât cel pentru reproducerea completă a formei de undă. Odată cu introducerea la amplificator a tensiunii de polarizare a Bazei, pot fi obținute diferite intervale și moduri de operare puse pe categorii în funcție de clasificarea lor. Aceste moduri diferite de operare sunt mai bine cunoscute sub numele de Clasă de amplificatoare.

Amplificatoarele de putere audio sunt clasificate în ordine alfabetică, în funcție de configurațiile lor de circuit și modul de operare. Amplificatoarele sunt desemnate prin diferite clase de funcționare, cum ar fi clasa "A", clasa "B", clasa "C", clasa "AB" etc. Aceste clase de amplificatoare variază de la o ieșire aproape liniară, dar cu o eficiență scăzută la o ieșire neliniară dar cu o eficiență ridicată.

Nici o clasă de operare nu este "mai bună" sau "mai rea" decât orice altă clasă, cu tipul de operație determinat de utilizarea circuitului de amplificare. Există eficiențe tipice de conversie maxime pentru diferitele tipuri sau clase de amplificatoare, cele mai frecvent utilizate fiind:

• Amplificator de clasă A - o eficiență scăzută de mai puțin de 40%, dar o reproducere bună a semnalului.

• Amplificator de clasă B - de două ori mai eficient decât amplificatorul de clasă A cu o eficiență teoretică maximă de aproximativ 70%, deoarece dispozitivul de amplificare conduce (și utilizează energie) doar pentru jumătate din semnalul de intrare.

• Amplificator de clasă AB - are un randament al eficienței între clasa A și clasa B, dar o reproducere mai slabă a semnalului decât amplificatoarele de clasă A.

• Amplificator de clasa C - este clasa cea mai eficientă a amplificatorului, dar distorsiunea este foarte ridicată, deoarece doar o mică parte a semnalului de intrare este amplificată, prin urmare semnalul de ieșire are o foarte mică asemănare cu semnalul de intrare. Amplificatoarele de clasa C au cea mai slabă reproducere a semnalelor.

Operarea amplificatorului clasa A

Operarea amplificatorului clasa A este în cazul în care întreaga formă de undă a semnalului de intrare este reprodusă cu fidelitate la ieșirea amplificatorului, deoarece tranzistorul este perfect polarizat în regiunea sa activă, astfel încât niciodată nu atinge nici una din regiunile sale de tăiere sau de saturație. Aceasta înseamnă că semnalul de intrare AC este perfect "centrat" ​​între limitele de semnal superioare și inferioare ale amplificatorului, după cum se arată mai jos.

Unda de ieșire a amplificatorului de clasă A

În această configurație, amplificatorul clasă A utilizează același tranzistor pentru ambele jumătăți ale formei de undă de ieșire și datorită aranjamentului său de polarizare, tranzistorul de ieșire are întotdeauna curent care trece prin el, chiar dacă nu există semnal de intrare. Cu alte cuvinte, tranzistorul de ieșire nu comută niciodată "OFF". Acest lucru are ca rezultat faptul că tipul de operare clasă A este foarte ineficient, deoarece convertirea puterii de alimentare DC la puterea semnalului AC livrată la sarcină este de obicei foarte scăzută.

În general, tranzistorul de ieșire al unui amplificator clasă A devine foarte fierbinte chiar și atunci când nu există semnal de intrare, astfel încât este necesară o anumită formă de radiator de căldură. Curentul direct care curge prin tranzistorul de ieșire (Ic) atunci când nu există semnal de ieșire va fi egal cu curentul care trece prin sarcină. Deci, un amplificator clasă A este foarte ineficient, deoarece majoritatea puterii DC este convertită în căldură.

Operarea amplificatorului clasa B

Spre deosebire de modul de funcționare a amplificatorului clasă A de mai sus, care folosește un singur tranzistor pentru etajul de putere de ieșire, amplificatorul clasă B utilizează două tranzistoare complementare (NPN și PNP sau NMOS și PMOS) pentru fiecare alternanță din forma de undă de ieșire. Un tranzistor conduce pentru o alternanță a formei de undă a semnalului, în timp ce celălalt conduce pentru cealaltă alternanță sau opusă a formei de undă a semnalului. Aceasta înseamnă că fiecare tranzistor își petrece jumătate din timpul său în regiunea activă și jumătate din timpul său în regiunea de tăiere, amplificând astfel doar 50% din semnalul de intrare.

Operarea în clasă B nu are o tensiune de polarizare DC directă ca la amplificatorul clasă A, dar în schimb tranzistorul conduce numai atunci când semnalul de intrare este mai mare decât tensiunea bază-emitor și pentru dispozitivele cu siliciu este de aproximativ 0,7V. Prin urmare, la zero intrare există zero ieșire. Acest lucru are ca rezultat numai jumătate din semnalul de intrare prezentat la ieșirea amplificatoarelor care dă o cantitate mai mare de eficiență a amplificatorului, după cum se arată mai jos.

Unda de ieșire a amplificatorului clasă B

Într-un amplificator clasă B, nu se folosește tensiune DC pentru a polariza tranzistoarele, astfel încât pentru ca tranzistoarele de ieșire să înceapă să conducă fiecare alternanță din forma de undă, atât pozitivă, cât și negativă, au nevoie ca tensiunea bază-emitor Vbe să fie mai mare decât 0,7 V, necesară pentru ca un tranzistor bipolar să înceapă să conducă.

Apoi, partea inferioară a formei de undă de ieșire care este sub această fereastră de 0,7 V nu va fi reprodusă cu precizie, rezultând o zonă distorsionată a formei de undă de ieșire, deoarece un tranzistor comută "OFF", așteptând ca celălalt să comute înapoi "ON". Rezultatul este că există o mică parte a formei de undă de ieșire la trecerea prin punctul zero de tensiune care va fi distorsionată. Acest tip de distorsiune se numește distorsiune Crossover și este analizată ulterior în această secțiune.

Operarea amplificatorului clasă AB

Amplificatorul clasa AB este un compromis între configurațiile clasa A și clasa B de mai sus. În timp ce operarea de clasă AB folosește încă două tranzistoare complementare în etajul de ieșire, se aplică o tensiune de polarizare foarte mică în Baza tranzistorului pentru a-l duce în regiunea de tăiere atunci când nu există semnal de intrare.

Un semnal de intrare va determina funcționarea tranzistorului normală în regiunea activă, eliminând astfel orice distorsiune crossover care este prezentă în configurațiile clasă B. Un mic curent de colector va curge atunci când nu există semnal de intrare, dar este mult mai mic decât cel pentru configurația amplificatorului clasă A.

Aceasta înseamnă că tranzistorul va fi "ON" pentru mai mult de o alternanță a formei de undă. Acest tip de configurație a amplificatorului îmbunătățește atât eficiența, cât și liniaritatea circuitului amplificator, comparativ cu o configurație clasă A pură.

Forma de undă la ieșire a amplificatorului clasa AB

Clasa de operare pentru un amplificator este foarte importantă și se bazează pe cantitatea de polarizare a tranzistorului necesară pentru funcționare, precum și pe amplitudinea necesară pentru semnalul de intrare. Clasificarea amplificatorului ia în considerare porțiunea semnalului de intrare în care conduce tranzistorul, determinând atât eficiența, cât și cantitatea de putere pe care ambele tranzistoare de comutare o consumă și o disipă, sub formă de căldură risipită. Atunci, putem face o comparație între cele mai comune tipuri de clasificări ale amplificatoarelor în tabelul următor.

Clase de amplificatoare de putere

Anumite tipuri de amplificatoare, în special tipurile clasă "A", pot necesita tranzistoare de putere mai mari, radiatoare de căldură mai scumpe, ventilatoare de răcire sau chiar o creștere a mărimii sursei de alimentare necesare pentru a furniza puterea suplimentară pierdută cerută de amplificator. Puterea transformată în căldură de la tranzistoare, rezistoare sau orice altă componentă care contează, face orice circuit electronic ineficient și va duce la defectarea prematură a dispozitivului.

Deci, de ce utilizați un amplificator clasă A dacă eficiența acestuia este mai mică de 40% în comparație cu un amplificator clasă B care are o eficiență mai mare de peste 70%. În principiu, un amplificator clasă A dă o ieșire mult mai liniară, ceea ce înseamnă că are liniaritate peste un răspuns mai mare înl frecvență, chiar dacă consumă cantități mari de putere DC.

În acest tutorial Introducere, am văzut că există diferite tipuri de circuite de amplificare, fiecare cu propriile sale avantaje și dezavantaje. În următorul tutorial despre amplificatoare, ne vom uita la cel mai frecvent tip conectat de circuit amplificator cu tranzistor, amplificatorul cu emitor-comun. Majoritatea amplificatoarelor cu tranzistor sunt de tip Emitor-comun sau CE datorită câștigurilor lor mari de tensiune, curent și putere, precum și a caracteristicilor lor excelente de intrare/ieșire.