Impedanța de intrare a unui amplificator definește caracteristicile sale de intrare în raport cu curentul și tensiunea privind spre terminalele de intrare ale amplificatorului.

Impedanța de intrare Zin sau rezistența de intrare, așa cum mai este numită, este un parametru important în schema unui amplificator cu tranzistor și, ca atare, permite ca amplificatoarele să fie caracterizate în funcție de impedanțele lor efective de intrare și ieșire, precum și de puterea și curentul lor nominale.

O valoare a impedanței amplificatorului este deosebit de importantă pentru analiză, în special atunci când etajele individuale ale amplificatorului sunt legate împreună unul după altul pentru a minimiza distorsiunea semnalului.

Impedanța de intrare a unui amplificator este impedanța de intrare „văzută“ de către sursa de comandă a intrării amplificatorului. Dacă este prea mică, poate avea un efect de încărcare negativă asupra etajului anterior și poate afecta răspunsul în frecvență și nivelul semnalului de ieșire din acel etaj. Dar în majoritatea aplicațiilor, circuitele obișnuite ale amplificatorului cu emitor-comun și colector-comun au, în general, impedanțe mari de intrare.

Unele tipuri de amplificatoare, cum ar fi circuitul amplificatorului cu colector-comun, au în mod automat o impedanță de intrare ridicată și o impedanță scăzută de ieșire prin însăși natura schemei lor. Amplificatoarele pot avea impedanță de intrare ridicată, impedanță scăzută de ieșire și practic orice câștig arbitrar, dar unde impedanța de intrare a amplificatorului este mai mică decât cea dorită, impedanța de ieșire a etajului anterior poate fi ajustată pentru a compensa sau, dacă acest lucru nu este posibil, pot fi necesare etaje de amplificator buffer.

În plus față de amplificarea de tensiune (Av), un circuit amplificator are și amplificare de curent (Ai). Amplificarea de putere (Ap) poate fi, de asemenea, de așteptat de la un circuit amplificator. Dar, pe lângă faptul că are aceste trei caracteristici importante, un circuit amplificator trebuie să aibă și alte caracteristici, cum ar fi impedanța de intrare ridicată (Zin), impedanța de ieșire mică (Zout) și un anumit grad de lățime de bandă (Bw). Oricum, amplificatorul "perfect" va avea impedanță infinită de intrare și impedanță de ieșire zero.

Impedanța de intrare și de ieșire

Când privim din exterior, aceste terminale au o impedanță de intrare Zin și o impedanță de ieșire Zout. Impedanța de intrare și ieșire a unui amplificator este raportul dintre tensiunea și curentul care intră sau iese din aceste terminale. Impedanța de intrare poate depinde de sursa de alimentare a amplificatorului, în timp ce impedanța de ieșire poate varia, de asemenea, în funcție de impedanța de sarcină RL între terminalele de ieșire.

Semnalele de intrare care sunt amplificate sunt de obicei curenți alternativi (AC), circuitul amplificator reprezentând o sarcină Z la sursă. Impedanța de intrare a unui amplificator poate fi de zeci de ohmi (Ω) până la câteva mii ohmi (kilo-ohmi kΩ) pentru circuitele tranzistor bipolare până la milioane de ohmi (Mega-ohmi MΩ) pentru circuite cu tranzistoare FET.

Atunci când o sursă de semnal și o sarcină sunt conectate la un amplificator, proprietățile electrice corespunzătoare ale circuitului amplificator pot fi modelate așa cum se arată.

Model de impedanță de intrare și de ieșire

unde: VS este tensiunea semnalului, RS este rezistența internă a sursei de semnal și RL este rezistența de sarcină conectată la ieșire. Putem extinde această idee mai departe, analizând modul în care amplificatorul este conectat la sursă și sarcină.

Când un amplificator este conectat la o sursă de semnal, sursa "vede" impedanța de intrare Zin a amplificatorului ca o sarcină. De asemenea, tensiunea de intrare Vin este ceea ce amplificatorul vede pe impedanța de intrare Zin. Atunci, intrarea amplificatoarelor poate fi modelată ca un circuit simplu de divizare a tensiunii, așa cum se arată.

Modelul circuitului de intrare al amplificatorului

Aceeași idee se aplică și pentru impedanța de ieșire a amplificatorului. Când o rezistență la sarcină RL este conectată la ieșirea amplificatorului, amplificatorul devine sursa care alimentează sarcina. Prin urmare, tensiunea de ieșire și impedanța devin automat tensiunea sursei și impedanța sursei pentru sarcină, așa cum se arată.

Modelul circuitului de ieșire al amplificatorului

Atunci, putem vedea că caracteristicile de intrare și ieșire ale unui amplificator pot fi modelate ca o rețea simplă de divizare a tensiunii. Amplificatorul în sine poate fi conectat în configurațiile emitor-comun (emitor la masă), colector-comun (emitor repetor) sau în bază-comună. În acest tutorial vom analiza tranzistorul bipolar conectat în configurație emitor-comun văzută anterior.

Amplificator cu emitor-comun

Configurația clasică cu emitor-comun utilizează o rețea divizor de potențial pentru a polariza Baza tranzistorului. Alimentarea cu tensiune Vcc și rezistoarele de polarizare stabilesc punctul de funcționare al tranzistorului pentru a conduce în modul activ direct. Dacă fluxul de curent nu circulă în Bază, nu circulă nici curent de colector (tranzistor în cut-off) și tensiunea pe colector este aceeași cu tensiunea de alimentare Vcc. Un semnal de curent în Bază determină un curent să circule în rezistorul de colector Rc generând o cădere de tensiune pe el, care face ca tensiunea de colector să scadă.

Atunci, direcția de schimbare a tensiunii colectorului este opusă direcției de schimbare pe bază, cu alte cuvinte polaritatea este inversată. Astfel configurația emitor-comun produce o amplificare de tensiune mare și un nivel de tensiune DC bine definit, luând tensiunea de ieșire din colector, așa cum se arată, cu rezistorul RL reprezentând sarcina la ieșire.

Amplificator cu emitor-comun cu un singur etaj

În primul rând, începeți prin a face câteva presupuneri simple despre circuitul amplificator cu emitor-comun cu un singur etaj de mai sus pentru a defini punctul de operare al tranzistorului. Căderea de tensiune pe rezistorul de emitor VRE = 1,5V, curentul static IQ = 1 mA, câștigul de curent (Beta) al tranzistorului NPN este 100 (β = 100) și frecvența de colț (breakpoint) a amplificatorul este dat ca: ƒ-3dB = 40Hz .

Deoarece curentul în stare de repaus (static), fără semnal de intrare, circulă prin colectorul și emitorul tranzistorului, atunci putem spune că IC = IE = IQ = 1mA, deci prin folosirea Legii lui Ohm:

Cu tranzistorul complet ON (saturat), căderea de tensiune pe rezistorul de colector Rc va fi jumătate din Vcc-VRE pentru a permite o variație maximă a semnalului de ieșire de la vârf la vârf în jurul punctului central fără tăierea (clipping) semnalului de ieșire.

Rețineți că nici un câștig de tensiune de semnal DC al amplificatorului nu poate fi găsit din -RC/RE. De asemenea, observați că câștigul de tensiune este negativ în valoare datorită faptului că semnalul de ieșire a fost inversat față de semnalul inițial de intrare.

Deoarece tranzistorul NPN este polarizat direct, joncțiunea Bază-Emitor acționează ca o diodă polarizată direct, astfel încât Baza va fi cu 0,7 volți mai pozitivă decât tensiunea emitorului (Ve + 0,7V), prin urmare tensiunea pe rezistorul R2 din Bază va fi:

Dacă cele două rezistoare de polarizare sunt deja date, putem folosi și următoarea formulă standard de divizare a tensiunii, pentru a găsi tensiunea de bază VB pe R2 .

Informațiile furnizate au indicat curentul static de 1 mA. Astfel, tranzistorul este polarizat cu un curent de colector de 1mA prin alimentarea cu 12 volți Vcc. Acest curent de colector este proporțional cu curentul de bază deoarece Ic = β * Ib. Câștigul de curent DC Beta (β) al tranzistorului a fost dat ca 100, atunci curentul de bază care circulă în tranzistor va fi:

Circuitul de polarizare DC format de rețeaua divizoare de tensiune R1 și R2 stabilește punctul de operare DC. Tensiunea bazei a fost calculată anterior la 2,2 volți, atunci trebuie să stabilim raportul corespunzător de la R1 la R2 pentru a produce această valoare de tensiune din sursa de 12 volți Vcc.

În general, pentru o rețea de polarizare DC cu divizor standard de tensiune a unui circuit amplificator cu emitor-comun, curentul care trece prin rezistorul inferior R2 este de zece ori mai mare decât curentul DC care curge în Bază. Atunci, valoarea rezistorului R2 poate fi calculată cu:

Tensiunea căzută pe rezistența R1 va fi tensiunea de alimentare minus tensiunea de polarizare a bazei. De asemenea, dacă rezistorul R2 poartă de 10 ori curentul de bază, rezistorul superior R1 al lanțului serie trebuie să treacă curentul prin R2 plus curentul de bază al tranzistorului IB. Cu alte cuvinte, de 11 ori curentul de bază, așa cum este arătat.

Pentru un amplificator cu emitor-comun, reactanța Xc a condensatorului de bypass din emitor este, de obicei, o zecime (1/10) din valoarea rezistorului de emitor RE la punctul de frecvență cut-off. Specificațiile amplificatorului dau o frecvență de colț la -3dB de 40Hz, atunci valoarea condensatorului CE se calculează astfel:

Acum că avem valorile stabilite pentru circuitul amplificator cu emitor-comun de mai sus, ne putem uita la calcularea impedanței de intrare și de ieșire a amplificatorului, precum și a valorilor condensatoarelor de cuplare C1 și C2.

Model de bază de amplificator cu emitor

Formula generalizată pentru impedanța de intrare a oricărui circuit este ZIN = VIN/IIN. Circuitul de polarizare DC stabilește punctul-Q de operare a tranzistorului și deoarece condensatorul de intrare C1 acționează ca un circuit deschis și blochează orice tensiune DC, la DC (0 Hz) impedanța de intrare (ZIN) a circuitului va fi extrem de mare. Dar, atunci când un semnal AC este aplicat la intrare, caracteristicile circuitului se schimbă, deoarece condensatoarele acționează ca scurtcircuit la frecvențe înalte și trec semnale AC.

Formula generalizată pentru impedanța de intrare AC a unui amplificator care se uită spre Bază este dată de ZIN = REQ || β (RE+ re), unde REQ este rezistența echivalentă la masă (0 V) a rețelei de polarizare pe bază și re este rezistența internă a stratului de emitor polarizat direct. Atunci, dacă scurtcircuităm sursa de alimentare de 12 volți Vcc la masă, deoarece Vcc apare ca un semnal scurtcircuit la semnale AC, putem retrasa circuitul cu emitor-comun de mai sus după cum urmează:

Model de circuit amplificator

Atunci vedem că, cu tensiunea de alimentare scurtcircuitată, există un număr de rezistoare conectate în paralel pe tranzistor. Prin preluarea doar a părții de intrare a amplificatorului cu tranzistor și tratarea condensatorului C1 ca scurtcircuit la semnale AC, putem redesena circuitul pentru a defini impedanța de intrare a amplificatorului ca:

Impedanța de intrare a amplificatorului

Am spus în precedentul tutorial amplificator cu emitor-comun că rezistența internă a stratului emitor a fost egală cu produsul 25mV ÷ IE cu această valoare de 25mV fiind căderea de tensiune internă și IE = IQ. Atunci, pentru circuitul nostru amplificator de mai sus valoarea rezistenței AC echivalentă re a diodei Emitor este dată de:

Rezistența de semnal la terminalul emitor

unde re reprezintă un rezistor intern mic în serie cu emitorul. Deoarece Ic/IB = β, atunci valoarea impedanței de bază a tranzistorului va fi egală cu β*re. Rețineți că, dacă condensatorul bypass CE nu este inclus în schema amplificatorului, atunci valoarea devine: β(RE + re), crescând semnificativ impedanța de intrare a amplificatorului.

În exemplul nostru, condensatorul bypass CE este inclus, prin urmare, impedanța de intrare ZIN a amplificatorului cu emitor-comun este impedanța de intrare "văzută" de sursa AC care comandă amplificatorul și se calculează cu:

Ecuația impedanței de intrare

Această valoare de 2,2 kΩ este impedanța de intrare privind spre terminalul de intrare al amplificatorului. Dacă valoarea impedanței semnalului sursă este cunoscută și, în exemplul nostru simplu de mai sus, este dată ca 1kΩ, atunci această valoare poate fi adăugată sau însumată cu ZIN dacă este necesar.

Dar să presupunem pentru un minut că circuitul nostru nu are un condensator bypass CE conectat. Care ar fi impedanța de intrare a amplificatorului fără el. Ecuația va rămâne aceeași, cu excepția adăugării RE în partea β (RE + re) a ecuației, deoarece rezistorul nu va mai fi scurtcircuitat la frecvențe înalte. Atunci impedanța de intrare a circuitului amplificator fără CE va fi:

Impedanță de intrare fără condensator de bypass

Putem observa că includerea condensatorului bypass în terminalul Emitor face o diferență enormă la impedanța de intrare a circuitului, deoarece impedanța coboară de la 15,8 kΩ fără el la 2,2 kΩ cu el în circuitul nostru exemplu. Vom vedea mai târziu că adăugarea acestui condensator bypass CE mărește câștigul amplificatorului.

În calculele noastre pentru a găsi impedanța de intrare a amplificatorului, am presupus că condensatoarele din circuit au impedanță zero (Xc = 0) pentru curenții de semnal AC, precum și impedanța infinită (Xc = ∞) pentru curenții de polarizare DC. Acum, când cunoaștem impedanța de intrare cu bypass a circuitului amplificator, putem folosi această valoare de 2,2 kΩ pentru a găsi valoarea condensatorului de cuplare la intrare C1 necesar la punctul de frecvență cut-off specificat, care a fost dat anterior ca 40Hz. Prin urmare:

Ecuația condensatorului de cuplare a intrării

Acum, că avem o valoare pentru impedanța de intrare a circuitului nostru amplificator cu emitor-comun într-un singur-etaj de mai sus, putem obține, de asemenea, o expresie pentru impedanța de ieșire a amplificatorului într-un mod similar.

Impedanța de ieșire a unui amplificator

Impedanță de ieșire a unui amplificator poate fi considerată ca fiind impedanță (sau rezistență) dacă sarcina vede „privind înapoi“ spre amplificator, atunci când intrarea este zero. Lucrând pe același principiu cum am făcut pentru impedanța de intrare, formula generalizată pentru impedanța de ieșire poate fi dată de: ZOUT = VCE/IC.

Dar curentul de semnal care curge în rezistorul de colector RC curge și în rezistorul de sarcină RL deoarece cele două sunt conectate în serie cu Vcc. Atunci, din nou, luând doar partea de ieșire a amplificatorului cu tranzistor și tratând condensatorul de cuplare la ieșire C2 ca un scurtcircuit la semnale AC, putem redesena circuitul de mai sus pentru a defini impedanța de ieșire a amplificatorului ca:

Impedanța de ieșire a amplificatorului

Putem observa că rezistența semnalului de ieșire este egală cu RC în paralel cu RL dându-ne o rezistență de ieșire de:

Ecuația impedanței de ieșire

Rețineți că această valoare de 833Ω rezultă din faptul că rezistența de sarcină este conectată pe tranzistor. Dacă RL este omis, atunci impedanța de ieșire a amplificatorului ar fi egală numai cu rezistorul de colector RC.

Acum că avem o valoare pentru impedanța de ieșire a circuitului nostru amplificator de mai sus, putem calcula valoarea condensatorului de cuplare la ieșire C2 ca înainte, la punctul de frecvență cut-off de 40 Hz.

Ecuația condensatorului de cuplare la ieșire

Din nou, valoarea condensatorului de cuplare C2 poate fi calculată cu sau fără includerea rezistorului de sarcină RL.

Câștigul de tensiune pentru emitor-comun

Câștigul de tensiune al unui circuit cu emitor-comun este dat de Av = ROUT/REMITOR unde ROUT reprezintă impedanța de ieșire așa cum se vede în terminalul colectorului și REMITOR este egală cu rezistența echivalentă din terminalul emitorului, fie cu sau fără condensator bypass conectat.

Fără condensator de bypass CE conectat, (RE + re):

și cu condensatorul de bypass CE conectat, (numai re):

Putem observa că includerea condensatorului de bypass în schema amplificatorului face o schimbare dramatică a câștigului de tensiune Av al circuitului cu emitor-comun de la 0,5 la 33. De asemenea, arată că câștigul la emitor-comun nu merge la infinit când rezistorul de emitor extern este scurtcircuitat de condensatorul de bypass la frecvențe înalte, dar în schimb câștigul ajunge la valoarea finită de ROUT/re.

Am văzut de asemenea că, pe măsură ce câștigul crește, impedanța de intrare coboară de la 15,8 kΩ fără el la 2,2 kΩ cu el. Creșterea câștigului de tensiune poate fi considerată un avantaj în majoritatea circuitelor amplificatoare în detrimentul unei impedanțe de intrare mai mici.

Rezumat Impedanța de intrare

În acest tutorial am văzut că impedanța de intrare a unui amplificator cu emitor-comun poate fi găsită prin scurtcircuitarea tensiunii de alimentare și tratarea circuitului de polarizare cu divizor de tensiune ca rezistori în paralel. Impedanța "văzută" privind spre rețeaua de divizare (R1 || R2) este în general mult mai mică decât impedanța privită direct spre Baza tranzistorului, β(RE+re), deoarece semnalul de intrare AC modifică polarizarea pe baza tranzistorului controlând fluxul de curent prin tranzistor.

Există multe modalități de a polariza tranzistorul. Astfel, există multe circuite de amplificare cu tranzistor singur, fiecare având propriile ecuații și valori ale impedanței de intrare. Dacă aveți nevoie de impedanța de intrare a întregului etaj plus impedanța sursei, atunci va trebui să luați în considerare Rs în serie cu rezistoarele de polarizare a bazei (Rs + R1 || R2).

Impedanța de ieșire a unui etaj cu emitor-comun este egală cu rezistorul de colector în paralel cu rezistorul de sarcină (RC || RL) dacă este conectat, altfel doar RC. Câștigul de tensiune Av al amplificatorului este dependent de RC/RE.

Condensatorul de bypass din emitor CE poate furniza un traseu de masă AC pentru Emitor, scurtcircuitând rezistorul de emitor RE, lăsând doar rezistența emitorului de semnal re din terminalul emitorului. Efectul este creșterea câștigului amplificatorului (de la 0,5 la 33) la frecvențe înalte, dar și o scădere a valorii impedanței de intrare a amplificatorului (de la 18,5 kΩ la 2,2 kΩ).

Cu acest condensator de bypass eliminat, câștigul de tensiune al amplificatorului Av scade și ZIN crește. O modalitate de a menține o valoare fixă ​​a câștigului și a impedanței de intrare este aceea de a include un rezistor suplimentar în serie cu CE pentru a crea ceea ce se numește circuit de amplificator "split-emitter", care este un compromis între un amplificator fără bypass și un circuit cu bypass complet. Rețineți că adăugarea sau eliminarea acestui condensator de bypass nu are niciun efect asupra impedanței de ieșire a amplificatoarelor.

Atunci, putem vedea că impedanțele de intrare și de ieșire ale unui amplificator pot juca un rol important în definirea caracteristicilor de transfer ale unui amplificator în raport cu relația dintre curentul de ieșire Ic și curentul de intrare IB. Cunoașterea unei impedanțe de intrare a amplificatorului poate ajuta la construirea grafică a unui set de curbe caracteristice de ieșire pentru amplificator.