Amplificatoare elementare cu tranzistoare

Parametrii amplificatoarelor - mărimi ce caracterizează un amplificator

Obs. toate mărimile sunt complexe în cazul general.

- amplificarea de tensiune: 1

2

UUAAu == (depinde de sZ )

- amplificarea de curent: 1

2

IIAi = (depinde de sZ )

- impedanţa de intrare: 1

1int I

UZ = (depinde de sZ )

- impedanţa de ieşire: ∞→≠=

=sgg ZZE

ies IUZ

;0;02

2

(se anulează sursa de semnal dar impedanţa sa internă, , rămâne în circuit) gZ

- amplificarea globală de tensiune: g

ug EUA 2=

(pentru excitaţie cu generator de tensiune)

- amplificarea globală de curent: g

ig IIA 2=

(pentru excitaţie cu generator de curent) - amplificarea de putere: iup AAA =

(pentru sarcină rezistivă) - amplificare globală de putere – în cele două situaţii. - alţi parametri - banda de frecvenţe - tensiunea echivalentă de zgomot - puterea debitată în sarcină - puterea absorbită de la sursele de alimentare - valori limită absolute pentru tensiuni, curenţi, puteri - etc. Circuitul de ieşire al unui amplificator: (Figura)

iess

s

ZZZUU+

= 02

∞→sZ (în gol) → 02 UU =∞ Deci:

iess

s

ZZZUU+

= ∞22

Dar: AUU

=1

2 şi ∞∞ = A

UU

1

2

iess

s

ZZZ

UU

UU

+= ∞

1

2

1

2 sau iess

s

ZZZAA+

= ∞

Rezultă:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −= ∞ 1

AAZZ sies

Amplificator caracterizat prin parametrii de cuadripol Obs. orice amplificator, independent de structura sa, de numărul de elemente active sau pasive şi de tipul acestora poate fi caracterizat global prin parametrii săi de cuadripol cu care se pot determina performanţelor sale globale atunci când este comandat la intrare cu un generator de tensiune (sau de curent) şi când lucrează pe o sarcină precizată, Zs.

* amplificatorul este caracterizat prin parametrii hibrizi de cuadripol, H. * relaţiile de calcul sunt:

⎩⎨⎧

+=

+=

212

211

UHIHI

UHIHU

of

ri

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

+=

+=

−=

11

11

22

IZU

I

IZUU

IZU

gg

gg

s

Obs. pentru circuitul de intrare relaţiile vor fi diferite – în funcţie de modul de comandă a amplificatorului. * se calculează amplificarea de curent sub forma:

so

fi ZH

HII

A+

==11

2

* prima relaţie devine: 11211 IAZHIHIZHIHU isrisri −=−= , de unde se calculează impedanţa de intrare:

siri ZAHHI

UZ −==

1

1int sau:

so

si

so

sfri ZH

HZHZHZHH

HZ+

Δ+=

+−=

11int

Deoarece 1int1 IZU = şi 22 IZU s−= , prin raportarea celei de a doua relaţii la prima, rezultă:

is

u AZZA

int−=

o relaţie foarte importantă care leagă trei dintre mărimile ce caracterizează amplificatorul. * mai rezultă:

HZH

ZHA

si

sfu Δ+

−=

ceea ce reprezintă expresia generală a amplificării de tensiune a amplificatorului caracterizat prin parametrii de cuadripol. * prin raportarea relaţiilor: 11int IZIZU gg +=

22 IZU s−= se va obţine: amplificarea globală de tensiune:

is

s

gug A

ZZZ

UUA

int

2

+−==

Înlocuind pe Zint şi pe Ai, se obţine:

ZHZHZH

ZHA

sogsi

sfug )1( ++Δ+

−=

Aceeaşi expresie se obţine şi dacă se observă că:

g

ugg

ug ZZZA

UU

UU

UUA

+===

int

int1

1

22 .

(s-a pus în evidenţă divizorul de tensiune între impedanţa şi impedanţa de intrare a amplificatorului).

gZ

* pentru amplificarea globală de curent

int

1

1

22

ZZZ

AII

II

IIA

g

gi

ggig +

===

(s-a pus în evidenţă divizorul de curent între impedanţa şi impedanţa de intrare a amplificatorului); se obţine:

gZ

HZHZHZ

ZHA

sisog

gfig Δ+++=

)1(

* pentru impedanţa de ieşire, în ambele cazuri se anulează generatorul de tensiune (sau de curent), dar impedanţa sa internă rămâne în circuit; rezultă: U1=-ZgI1.

- curentul de intrare va fi: ig

f

HZUH

I+

−= 21

- rezultă: 22

2 UHHZUHH

I oig

fr ++

−= , adică,

og

gi

ZIUies HZH

ZHI

UZg

gg +Δ+

==≠

=0

0,2

2

Se pot distinge două cazuri particulare: a) comanda cu generator ideal de tensiune (Zg=0)

H

HZZ igies Δ

== )0(

b) comanda cu generator ideal de curent (Zg→∞)

ogies H

ZZ 1)( =∞→ (1.12)

* amplificarea de putere se calculează conform relaţiilor generale deduse numai pentru sarcini rezistive:

iup AAA = Relaţiile pot fi folosite pentru orice amplificator caracterizat prin

parametrii H, indiferent de structura sa. Aşadar, pentru circuitele elementare (emitor la masă, bază la masă,

respectiv colector la masă) amplificările de tensiune şi de curent şi impedanţele de intrare şi de ieşire vor fi determinate cu relaţiile deduse în care, în locul parametrilor H, vor fi introduşi parametrii hibrizi corespunzători.

În funcţie de circuitele concrete de polarizare vor putea fi determinate amplificările globale de tensiune Aug sau de curent Aig şi apoi amplificările de putere AP numai pentru sarcini rezistive.

Având în vedere faptul că impedanţele de intrare şi de ieşire sunt afectate, uneori în mod esenţial, de rezistenţele din circuitele de polarizare în c.c., impedanţa de intrare a schemei de principiu va fi notată cu Zi (pentru schema cu emitor la masă), respectiv Zib (pentru schema cu bază la masă) şi Zic (pentru schema cu colector la masă) şi va fi calculată cu relaţia dedusă aici, iar impedanţa de intrare în amplificator, inclusiv cu circuitul de polarizare se va nota cu Zint.

Similar, impedanţa de ieşire a schemei de principiu va fi notată cu Zo (pentru schema cu EM) respectiv Zob (pentru schema cu BM) şi Zoc (pentru schema cu CM) şi va fi calculată cu relaţia dedusă în cazul general, iar impedanţa de ieşire din amplificator, inclusiv cu elementele circuitului de polarizare se va nota cu Zieş.

Influenţa elementelor circuitului de polarizare, mai mare sau mai mică, depinde de schema concretă de polarizare în c.c. şi de valorile elementelor de circuit în comparaţie cu parametrii elementelor active. Structuri fundamentale cu TBIP Amplificator cu TBIP cu emitorul la masă Schema de principiu:

* TBIP - caracterizat prin parametrii hibrizi hi, hf, hr, ho.

* Amplificarea de tensiune, Au:

hZh

ZhA

si

sfu Δ+

−=

- în majoritatea situaţiilor practice (există şi excepţii) este îndeplinită condiţia |ZsΔh| << hi :

si

sfu SZ

hZh

A −=−≅ - se

constată că, pentru o sarcină rezistivă: - amplificarea este negativă (adică circuitul schimbă faza semnalului de la

ieşire cu 180º faţă de faza semnalului de la intrare); - valoarea modulului amplificării este proporţională cu impedanţa de sarcină

şi, pentru valori rezonabile ale acesteia poate fi de ordinul zeci-sute; - modulul amplificării depinde esenţial de PSF prin intermediul pantei S

( CIS 40≅ ). * Amplificarea de curent, Ai

so

fi Zh

hA

+=

1

- pentru sarcini rezonabile: |hoZs| << 1 şi amplificarea de curent se poate calcula cu relaţia aproximativă: hA fi ≅(amplificare de curent mare). * Impedanţa de intrare Zi :

so

sfri

so

sii Zh

Zhhh

ZhhZhZ

+−=

+Δ+

=11

; C

fii qIkThhZ ≅≅

(amplificatorul cu EM are o impedanţă de intrare de valoare medie (sute de Ω sau kΩ) invers proporţională cu curentul de colector din PSF). * Impedanţa de ieşire, Zo:

og

gio hZh

ZhZ

+Δ+

=

Întrucât raportul dintre hi şi Zg nu poate fi precizat, rezultă că nu poate fi luată în consideraţie o relaţie aproximativă; Se pot pune în evidenţă cele două situaţii limită: - pentru Zg = 0, adică pentru comanda cu generator de tensiune ideal, se obţine:

oi

frofroi

iigo

hhhhhhhhh

hh

hZZ−

⋅=−

=Δ

==1

11)0(

- pentru Zg → ∞, adică pentru comanda cu generator de curent ideal (mai greu de realizat din cauza circuitelor de polarizare în c.c. a bazei) se obţine:

)0(1)( =<=∞→ goo

go ZZh

ZZ

* Amplificarea globală de tensiune:

ugi

i

gug A

ZZZ

UUA

+== 2 ;

gi

sfug Zh

ZhA

+−

≅

În mod similar se poate determina şi o amplificare globală de curent dacă

excitarea schemei se face cu generator de curent. * Amplificarea de putere (în impedanţă de sarcină rezistivă, Zs=Rs):

Rh

hhRh

RhAAA

so

f

si

sfiuP +

⋅Δ+

=⋅=1

i

sfP h

RhA

2

≅

- amplificarea de putere realizată de schema cu emitor la masă este foarte mare (Rs şi hi pot avea valori de acelaşi ordin de mărime) întrucât, în această conexiune, tranzistorul amplifică şi în tensiune şi în curent;

- dependenţă mai complicată de rezistenţa de sarcină, în sensul că amplificarea de putere devine nulă atât pentru Rs → 0, cât şi pentru Rs → ∞, ceea ce înseamnă că există o valoare optimă a rezistenţei de sarcină pentru care se obţine o amplificare de putere maximă;

- hh

hRo

isopt Δ

=

- cu valorile normale pentru hi şi ho, valoarea rezistenţei de sarcină optimă este de ordinul zecilor de kΩ, ceea ce este foarte greu de realizat în practică. Amplificator cu TBIP cu baza la masă Schema de principiu a unui amplificator cu BM:

Observaţie: este incomod să se folosească parametrii hibrizi în conexiunea bază comun deoarece sunt foarte mici, iar hobibrb hsihh , fb este foarte apropiat de unu (-1) şi, pentru toţi aceşti parametri, măsurătoarea lor directă este mai dificilă şi mai puţin precisă decât în cazul parametrilor corespunzători pentru conexiunea emitor comun, cu valori numerice mai rezonabile. - se folosesc relaţiile generale în care parametrii H se înlocuiesc cu parametrii hibrizi în conexiunea BC:

Nhh

Nhh

Nhhh

Nhh

h Nhh b

oob

rrb

ffb

iib

Δ=Δ=

Δ−−=

Δ+−== ;;;;

cu: N = hf + 1 + Δh – hr.

* Amplificarea de tensiune: ( )

hZhZhh

hZhZh

Asi

sf

bsib

sfbub Δ+

Δ+=

Δ+−= s

i

sfub SZ

hZh

A =≅

- expresie asemănătoare cu aceea pentru schema cu emitor la masă; -

amplificarea de tensiune este pozitivă; - egală cu aceea a schemei cu emitorul comun (ca modul) - depinde de curentul de colector din PSF (prin S). * Amplificarea de curent:

Zhhhh

hhZhNhh

Zhh

Asobrf

f

sob

f

sob

fbib +−Δ++

Δ+−=

+Δ+

−=+

=11

- aproximativ: h

hA

f

fib 1

1−≅−=

+−≅ α

- amplificarea de curent este, practic, egală cu –1; - semnul (–) nu are semnificaţie, el depinde numai de convenţia de semne

pentru curenţii de intrare şi de ieşire. * Impedanţa de intrare:

ZhN

hZhZh

hZhZso

si

so

bsibib +

Δ+=

+Δ+

=1

- expresie aproximativă:

Sh

hZf

iib

11≅

+≅ -

este foarte mică, de ordinul zecilor de ohmi; - se recomandă ca, în cazul amplificatoarelor cu mai multe etaje, să nu se

conecteze un amplificator cu BM după un amplificator cu EM pentru că amplificarea de tensiune a acestuia va fi mult micşorată.

* Impedanţa de ieşire:

og

gi

obgb

gibob hZh

NZhhZh

ZhZ

+Δ+

=+Δ+

= -

impedanţa de ieşire are o valoare mare (la numărătorul expresiei apare termenul NZg);

- tranzistorul se comportă, la ieşire, ca un generator de curent şi în regim dinamic; (scheme cu BM pot fi folosite ca sarcini dinamice sau ca generatoare de curent constant, exemple de astfel de scheme fiind întâlnite în toate circuitele integrate liniare).

- nu se poate da o formă aproximativă atâta timp cât nu este precizată impedanţa de generator, Zg, decât, cel mult, înlocuind pe N cu hf+1;

- pentru cele două situaţii limită în care se poate afla Zg, se obţin rezultatele:

- când tranzistorul este comandat cu generator ideal de tensiune, impedanţa de ieşire este aceeaşi pentru cele două conexiuni:

)0()0( ==Δ

== goi

gob ZZh

hZZ

- dacă este comandat cu generator de curent:

obo

f

ogob hh

hhNZZ 11

)( ≅+

≅=∞→

- valoare foarte mare pentru impedanţa de ieşire, dată de impedanţa joncţiunii colector-bază cu emitorul în gol;

- o valoare foarte mare a impedanţei de ieşire se obţine chiar pentru valori relativ mici ale impedanţei de generator, fiind suficient ca Zg>>Zib. - se mai poate scrie:

og

gfo

og

gf

og

gi

og

fgiob hZh

ZhZ

hZhZh

hZhZh

hZhhZh

Z+Δ

+=+Δ

++Δ+

=+Δ

++≅

)1(

din care se observă că, pentru Zg≠0, rezultă Zob>Zo. * Amplificarea globală de tensiune:

ubgib

ibug A

ZZZA+

=

- este foarte mult afectată de valoarea mică a impedanţei de intrare, chiar pentru valori mici ale impedanţei generatorului de tensiune de comandă. - în cazul unei comenzi cu generator de curent, amplificarea globală de curent este puţin afectată de rezistenţa generatorului de curent de comandă dacă Zg>>Zib, condiţie uşor de îndeplinit. * Amplificarea de putere (pentru schema de bază şi pentru o impedanţă de sarcină rezistivă):

si

sfs

i

fiuP SR

hRh

Rhh

AAA ==⋅=⋅= )1(

- valoare mare a amplificării de putere (numai pe seama amplificării de tensiune a schemei).

- în cazul excitării schemei cu generator de tensiune cu Rg≠0 şi amplificarea totală de putere va fi afectată dacă Rg nu este neglijabil în comparaţie cu Zib, condiţie, în general, greu de îndeplinit. Amplificator cu TBIP cu colectorul la masă Schema de principiu:

Observaţie: se folosesc relaţiile generale în care parametrii H se înlocuiesc cu parametrii hibrizi în conexiunea CC, , deduşi în funcţie de parametrii h în conexiunea emitor comun:

ch

Nh ; hh ; hh ; hh ; hh crrcf fcoociic =Δ−=+−=== 1)1( cu: N = hf + 1 + Δh – hr ≈ hf + 1. * Amplificarea de tensiune:

sfi

sf

si

sf

csic

sfcuc Zhh

ZhNZhZh

hZhZh

A)1(

)1()1(++

+≅

++

=Δ+

−=

- amplificarea de tensiune este pozitivă şi subunitară. - dacă este îndeplinită condiţia |(hf+1)Zs|>>hi, amplificarea de tensiune devine aproape egală cu unitatea, adică circuitul repetă la ieşire tensiunea aplicată la intrare, şi de aici şi denumirea de repetor pe emitor pentru această conexiune a tranzistorului BIP. - condiţia impusă se poate scrie şi sub forma:

111

>>≅≅+

> sibf

is Z S sau

Sh

hhZ

şi se îndeplineşte în cea mai mare parte a cazurilor practice. - formula aproximativă pentru amplificarea de tensiune a repetorului pe emitor se scrie:

11

≅+

≅s

suc SZ

SZA

* Amplificarea de curent:

Zh

hZh

hA

so

f

soc

fcic +

+−=

+=

1)1(

1

- relaţia aproximativă pentru cazul în care |hoZs|<<1, condiţie îndeplinită aproape întotdeauna în schemele concrete.: hA fic )1( +−≅ - amplificarea de curent are valoare mare, iar faptul că este negativă nu are semnificaţie întrucât acest semn depinde de semnele acceptate pentru cei doi curenţi.

* Impedanţa de intrare:

so

si

soc

csicic Zh

NZhZh

hZhZ++

=+

Δ+=

11

- dacă se înlocuieşte N cu expresia aproximativă şi se ţine seama de faptul că, de obicei, |hoZs|<<1, rezultă o expresie aproximativă pentru Zic sub forma:

sfiic ZhhZ )1( ++≅care arată că impedanţa de intrare în repetorul pe emitor este foarte mare, de ordinul a zeci de kΩ. - altă formă:

)1()1(1

1 sisisi

fiic SZZSZhZ

hh

hZ +≅+≅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ++≅

din care se vede că este mult mai mare decât impedanţa de intrare a amplificatorului cu emitorul la masă deoarece |SZs|>>1 (în mod obişnuit). - Impedanţa de intrare mare arată că, în cazul unui amplificator realizat din mai multe etaje în cascadă, cuplarea unui repetor pe emitor ca sarcină nu încarcă prea mult etajul amplificator anterior şi, deci, nu-i micşorează amplificarea de tensiune; - această impedanţă de intrare mare va fi afectată mai mult decât în celelalte cazuri de elementele circuitului de polarizare în c.c. a bazei tranzistorului. * Impedanţa de ieşire:

hZN

ZhhZh

ZhZ

og

gi

ocgc

gicoc +

+=

+Δ+

=

sau, dacă se înlocuieşte N cu relaţia aproximativă şi se neglijează Zgho:

1

1111 +

+≅+

++

=+

+≅

f

g

f

g

f

i

f

gioc h

ZSh

Zh

hh

ZhZ

- impedanţa de ieşire a repetorului pe emitor este foarte mică în comparaţie cu impedanţele de ieşire ale celorlalte două amplificatoare elementare. Dacă se compară impedanţele de ieşire ale repetorului pe emitor şi amplificatorului cu emitorul la masă pentru Zg = 0 se obţine:

1hhZ

1hh

hh

1hh)0Z(Z

fo

f

i

f

igoc +

Δ=

+Δ

⋅Δ

=+

==

şi, cum raportul hf / Δh este de circa 104, rezultă acelaşi raport între cele două impedanţe de ieşire. - impedanţa de ieşire de valoare mică arată că repetorul pe emitor este capabil să comande rezistenţe de sarcină de valoare mică. Concluzii privind repetorul pe emitor: - impedanţa de intrare este mare (deci circuitul nu încarcă esenţial etajul

anterior); - impedanţa de ieşire este mică (deci circuitul poate comanda orice sarcină); - amplificarea de tensiune este practic unitară. rezultă: repetorul pe emitor este un foarte bun etaj de adaptare între alte etaje de amplificare ale unui amplificator de tensiune cu mai multe etaje (ulterior se va arăta că şi răspunsul în frecvenţă al repetorului pe emitor este foarte bun). * Amplificarea globală de tensiune este afectată mai puţin de prezenţa impedanţei generatorului de semnal de valoare nu prea mare, deoarece impedanţa de intrare în repetor este mare:

gic

icuug ZZ

ZAA+

=

* Amplificarea de putere (pentru amplificatorul elementar încărcat cu sarcină rezistivă):

1)1(

)1)(1(+≅

++++

=⋅= fsfi

sffiuP h

RhhRhh

AAA

- repetorul pe emitor are amplificare de putere mare realizată pe seama amplificării de curent.