Pentru ca un amplificator de semnal să funcționeze corect fără distorsiuni în semnalul de ieșire, este necesară o formă de polarizare DC pe terminalul său de Bază sau Poartă.

Această polarizare DC este necesară pentru ca amplificatorul să poată amplifica semnalul de intrare pe întregul său ciclu cu punctul-Q de polarizare setat cât mai aproape posibil de mijlocul liniei de sarcină. Această setare a punctului-Q de polarizare ne-a dat o configurație de amplificare de tip "Clasa-A", cel mai comun aranjament fiind "emitor-comun" pentru tranzistoarele bipolare sau configurația "sursă-comună" pentru tranzistoare FET unipolare.

Am aflat că amplificarea de puterea, tensiune sau curent, oferită de amplificator, este raportul dintre valoarea maximă de ieșire și valoarea maximă de intrare (Output ÷ Input).

Dar, dacă proiectăm incorect circuitul amplificatorului și setăm punctul-Q de polarizare în poziția greșită a liniei de sarcină sau aplicăm un semnal de intrare prea mare amplificatorului, semnalul de ieșire rezultat poate să nu fie o reproducere exactă a formei de undă a semnalului inițial de intrare. Cu alte cuvinte, amplificatorul va suferi de ceea ce se numește de obicei distorsiunea amplificatorului. Considerați circuitul amplificatorului cu emitor-comun de mai jos.

Amplificator cu emitor-comun

Distorsiunea formei de undă a semnalului de ieșire poate să apară deoarece:

• Este posibil ca amplificarea să nu aibă loc pe tot ciclul de semnal din cauza nivelelor de polarizare incorecte.

• Semnalul de intrare poate fi prea mare, determinând limitarea tranzistoarelor amplificatorului de către tensiunea de alimentare.

• Este posibil ca amplificarea să nu fie un semnal liniar pe întreaga gamă de frecvențe de intrare.

Aceasta înseamnă că, în timpul procesului de amplificare a formei de undă a semnalului, a apărut o anumită formă de distorsiune a amplificatorului.

Amplificatoarele sunt proiectate în principal pentru a amplifica semnale de intrare de tensiune mici în semnale de ieșire mult mai mari, ceea ce înseamnă că semnalul de ieșire se schimbă constant cu un factor sau o valoare, numită amplificare, înmulțită cu semnalul de intrare pentru toate frecvențele de intrare. Am văzut anterior că acest factor de multiplicare este numit Beta, valoarea β a tranzistorului.

Circuitele cu tranzistor tip emitor-comun sau chiar sursă-comună funcționează bine pentru semnale de intrare AC mici, dar suferă de un dezavantaj major, poziția calculată a punctului-Q de polarizare a unui amplificator bipolar depinde de aceeași valoare Beta pentru toate tranzistoarele. Dar, această valoare beta va varia la tranzistori de același tip, cu alte cuvinte, punctul-Q pentru un tranzistor nu este neapărat același cu punctul-Q pentru alt tranzistor de același tip datorită toleranțelor inerente de fabricație.

Atunci, apare distorsionarea amplificatorului, deoarece amplificatorul nu este liniar și va rezulta un tip de distorsiune a amplificatorului numită distorsiune de amplitudine. Alegerea atentă a tranzistorului și a componentelor de polarizare poate ajuta la minimizarea efectului de distorsionare al amplificatorului.

Distorsiunea de amplitudine

Distorsiunea de amplitudine are loc atunci când valorile de vârf ale formei de undă de frecvență sunt atenuate, cauzând distorsiuni datorate unei deplasări în punctul-Q și amplificarea nu poate avea loc pe întreg ciclul de semnal. Această nelinearitate a formei de undă de ieșire este prezentată mai jos.

Distorsiunea de amplitudine din cauza unei polarizări incorecte

În cazul în care punctul de polarizare al tranzistoarelor este corect, forma de undă de ieșire trebuie să aibă aceeași formă ca cea a formei de undă de intrare dar mai mare (amplificată). În cazul în care există o polarizare insuficientă și punctul-Q se află în jumătatea inferioară a liniei de sarcină, atunci forma de undă de ieșire va arăta ca cea din dreapta, cu jumătatea negativă a formei de undă de ieșire "cut-off" sau tăiată. De asemenea, dacă există prea multă polarizare și punctul-Q se află în jumătatea superioară a liniei de sarcină, atunci forma de undă de ieșire va arăta ca cea din stânga, cu jumătatea pozitivă "cut-off" sau tăiată.

De asemenea, atunci când tensiunea de polarizare este prea mică, pe durata alternanței negative a ciclului tranzistorul nu conduce pe deplin astfel încât ieșirea este setată de tensiunea de alimentare. Când polarizarea este prea mare, alternanța pozitivă a ciclului saturează tranzistorul, iar ieșirea scade aproape la zero.

Chiar și cu setarea corectă a tensiunii de polarizare, este totuși posibil ca forma de undă de ieșire să fie distorsionată datorită unui semnal de intrare mare amplificat de câștigul circuitelor. Semnalul de tensiune de ieșire devine tăiat în ambele alternanțe pozitive și negative ale formei de undă și nu mai seamănă cu o undă sinusoidală, chiar și atunci când polaritatea este corectă. Acest tip de distorsiune a amplitudinii se numește clipping și este rezultatul "supra-comandării" intrării amplificatorului.

Atunci când amplitudinea de intrare devine prea mare, tăierea devine substanțială și forțează semnalul de undă de ieșire să depășească șinele de tensiune de alimentare cu părțile de vârf (pozitive + negative) devenind aplatizate sau "clipped-off“. Pentru a evita acest lucru, valoarea maximă a semnalului de intrare trebuie limitată la un nivel care va împiedica acest efect de tăiere așa cum este arătat mai sus.

Distorsiunea de amplitudine datorită Clipping-ului

Distorsiunea de amplitudine reduce foarte mult eficiența unui circuit amplificator. Aceste "vârfuri plate" ale formei de undă de ieșire distorsionate, fie datorită unei polarizări incorecte, fie supracomandării intrării, nu contribuie nicicum la puterea semnalului de ieșire la frecvența dorită.

Cu toate acestea, câțiva cunoscuți chitariști și formații rock preferă faptul că sunetul lor distinctiv este foarte distorsionat sau "supraîncărcat" prin tăierea puternică a formei de undă de ieșire la ambele șine de alimentare cu energie electrică +ve și -ve. De asemenea, creșterea cantităților de tăiere pe o sinusoidă va produce atât de multe distorsiuni ale amplificatorului încât va produce în cele din urmă o formă de undă de ieșire care seamănă cu cea a unei forme de "undă dreptunghiulară" care poate fi apoi utilizată în circuitele electronice sau digitale de sintetizator.

Am văzut că, cu un semnal DC, nivelul de amplificare al amplificatorului poate varia în funcție de amplitudinea semnalului, dar ca și distorsiunea de amplitudine pot apărea alte tipuri de distorsiuni ale amplificatorului cu semnale AC în circuite amplificatoare, cum ar fi distorsiunea de frecvență și distorsiunea de fază.

Distorsiunea de frecvență

Distorsiunea de frecvență este un alt tip de distorsiune a amplificatorului care apare într-un amplificator cu tranzistor atunci când nivelul de amplificare variază în funcție de frecvență. Multe dintre semnalele de intrare pe care un amplificator practic le va amplifica constau din forma de undă a semnalului solicitat numită "frecvența fundamentală", plus un număr de frecvențe diferite numite "armonice" suprapuse peste ea.

În mod normal, amplitudinea acestor armonici reprezintă o fracțiune din amplitudinea fundamentală și, deci, are un efect foarte puțin sau deloc asupra formei de undă de ieșire. Totuși, forma de undă de ieșire poate deveni distorsionată dacă aceste frecvențe armonice cresc în amplitudine în raport cu frecvența fundamentală. De exemplu, considerați forma de undă de mai jos:

Distorsiunea de frecvență datorată armonicilor

În exemplul de mai sus, forma de undă de intrare este un semnal de frecvență fundamentală plus o armonică secundă. Forma de undă de ieșire rezultată este afișată în partea dreaptă. Distorsiunea de frecvență apare atunci când frecvența fundamentală se combină cu a doua armonică pentru a distorsiona semnalul de ieșire. Armonicile sunt deci multipli ai frecvenței fundamentale și în exemplul nostru simplu a fost utilizată a doua armonică.

Prin urmare, frecvența armonicii este de două ori fundamentala, 2 x ƒ sau 2ƒ. Atunci, a treia armonică ar fi 3ƒ, a patra, 4ƒ, și așa mai departe. Distorsiunea de frecvență datorată armonicilor este întotdeauna o posibilitate în circuitele amplificatoare care conțin elemente reactive, cum ar fi capacitatea sau inductanța.

Distorsiunea de fază

Distorsiunea de fază sau distorsiunea de întârziere este un tip de distorsiune a amplificatorului care apare într-un amplificator cu tranzistor neliniar atunci când există o întârziere de timp între semnalul de intrare și apariția sa la ieșire.

Dacă spunem că schimbarea de fază între intrare și ieșire este zero la frecvența fundamentală, întârzierea unghiului de fază rezultat va fi diferența dintre armonică și fundamentală. Această întârziere de timp va depinde de construcția amplificatorului și va crește progresiv cu frecvența în lățimea de bandă a amplificatorului. De exemplu, considerați forma de undă de mai jos:

În afară de amplificatoarele audio de înaltă calitate, majoritatea amplificatoarelor practice vor avea o anumită formă de distorsiune a amplificatorului fiind o combinație de "distorsiuni de frecvență", și "distorsiuni de fază", împreună cu distorsiunea de amplitudine. În majoritatea aplicațiilor, cum ar fi amplificatoarele audio sau amplificatoarele de putere, cu excepția cazului în care distorsiunea amplificatoarelor este excesivă sau severă, nu va afecta în general funcționarea sau sunetul de ieșire al amplificatorului.

În următorul tutorial despre amplificatoare, ne vom uita la amplificatorul clasă A. Amplificatoarele clasă A sunt cele mai obișnuite tipuri de etaje amplificatoare de ieșire, făcându-le ideale pentru utilizarea în amplificatoare de putere audio.