Comprensió dels circuits d'amplificadors

En general, un amplificador es pot definir com un circuit dissenyat per augmentar un senyal d’entrada de baixa potència aplicat en un senyal de sortida d’alta potència, segons la qualificació especificada dels components.

Tot i que, la funció bàsica continua sent la mateixa, els amplificadors es podrien classificar en diferents categories en funció del seu disseny i configuracions.

Circuits per amplificar entrades lògiques

És possible que us hagueu trobat amb amplificadors de transistor únics que estiguin configurats per funcionar i amplificar una lògica de senyal baix des d’un dispositiu de detecció d’entrada, com ara LDR, fotodíodes Dispositius IR. La sortida d’aquests amplificadors s’utilitza per canviar un xancletes o un relé ON / OFF en resposta als senyals dels dispositius sensor.

És possible que també hàgiu vist petits amplificadors que s’utilitzen per pre-amplificar una entrada de música o àudio o per accionar un llum LED.
Tots aquests petits amplificadors es classifiquen com a petits amplificadors de senyal.

Tipus d'amplificadors

Principalment, s’incorporen circuits amplificadors per amplificar una freqüència musical, de manera que l’entrada de música petita alimentada s’amplifica en molts plecs, normalment de 100 a 1000 vegades i es reprodueix per un altaveu.

Depenent de la seva potència o potència nominal, aquests circuits poden tenir dissenys que van des d’amplificadors de senyal petits basats en opamp fins a amplificadors de senyal grans que també s’anomenen amplificadors de potència. Aquests amplificadors es classifiquen tècnicament en funció dels seus principis de treball, etapes del circuit i la manera que es poden configurar per processar la funció d'amplificació.

La taula següent ens proporciona els detalls de classificació dels amplificadors en funció de les seves especificacions tècniques i el principi de funcionament:

En un disseny bàsic d’amplificadors, trobem que inclou sobretot algunes etapes amb xarxes de transistors bipolars o BJT, transistors d’efecte de camp (FET) o amplificadors operatius.

Aquests blocs o mòduls amplificadors es podrien veure amb un parell de terminals per alimentar el senyal d’entrada i un altre parell de terminals a la sortida per adquirir el senyal amplificat per un altaveu connectat.

Un dels terminals d’aquests dos són els terminals de terra i es poden veure com una línia comuna a les etapes d’entrada i sortida.

Tres propietats d’un amplificador

Les tres propietats importants que hauria de tenir un amplificador ideal són:

• Resistència d'entrada (Rin)
• Resistència de sortida (Rout)
• Guany (A) que és el rang d'amplificació de l'amplificador.

Comprendre com funciona un amplificador ideal

La diferència del senyal amplificat entre la sortida i l’entrada es denomina guany de l’amplificador. És la magnitud o la quantitat amb què l'amplificador és capaç d'amplificar el senyal d'entrada a través dels seus terminals de sortida.

Prenem per exemple, si es calcula que un amplificador processa un senyal d’entrada d’1 volt en un senyal amplificat de 50 volts, diríem que l’amplificador té un guany de 50, és tan senzill com això.
Aquesta millora d'un senyal d'entrada baix a un senyal de sortida superior s'anomena guany d’un amplificador. Alternativament, això es pot entendre com un augment del senyal d’entrada en un factor de 50.

Relació de guanys Per tant, el guany d’un amplificador és bàsicament la relació dels valors de sortida i d’entrada dels nivells de senyal, o simplement la potència de sortida dividida per la potència d’entrada, i s’atribueix per la lletra 'A' que també significa la potència d'amplificació de l'amplificador.

Tipus de guanys de l'amplificador Els diferents tipus de guanys d'amplificador es poden classificar com:

1. Guany de tensió (desactivat)
2. Guany actual (Ai)
3. Guany de potència (Ap)

Exemple de fórmules per calcular els guanys de l'amplificador Depenent dels 3 tipus de guanys anteriors, les fórmules per calcular-les es podrien aprendre dels exemples següents:

1. Guany de tensió (Av) = Voltatge de sortida / Voltatge d’entrada = Vout / Vin
2. Guany de corrent (Ai) = Corrent de sortida / Corrent d’entrada = Iout / Iin
3. Guany de potència (Ap) = Av.x.A jo

Per calcular el guany de potència, també podeu utilitzar la fórmula:
Guany de potència (Ap) = Potència de sortida / Potència d’entrada = Aout / Ain

Seria important tenir en compte que el subíndex p, v, i que s’utilitzen per calcular la potència s’assignen per identificar el tipus específic de guany de senyal que s’està treballant.

Expressant decibels

Trobareu un altre mètode per expressar el guany de potència d’un amplificador, que es troba en decibels o (dB).
La mesura o la quantitat Bel (B) és una unitat logarítmica (base 10) que no té una unitat de mesura.
Tanmateix, un Decibel podria ser una unitat massa gran per a un ús pràctic, per tant, fem servir la versió reduïda Decibel (dB) per als càlculs de l'amplificador.
Aquí hi ha algunes fórmules que es poden utilitzar per mesurar el guany de l'amplificador en decibels:

1. Guany de tensió en dB: off = 20 * log (Off)
2. Guany actual en dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Guany de potència en dB: ap = 10 * log (Ap)

Alguns fets sobre la mesura de dB
Seria important tenir en compte que el guany de potència de CC d’un amplificador és 10 vegades el registre comú de la seva relació sortida / entrada, mentre que els guanys de corrent i tensió són 20 vegades el registre comú de les seves relacions.

Això implica que, com que hi ha una escala de registre, no es pot considerar un guany de 20 dB com a doble de 10 dB, a causa de la característica de mesura no lineal de les escales de registre.

Quan el guany es mesura en dB, els valors positius signifiquen el guany de l'amplificador mentre que un valor negatiu de dB indica una pèrdua del guany de l'amplificador.

Per exemple, si s'identifica un guany de + 3dB, indica un guany de 2 o x2 de la sortida de l'amplificador en particular.

Per contra, si el resultat és -3dB, indica que l'amplificador té una pèrdua del 50% de guany o una mesura de pèrdua x0,5 en el seu guany. També es coneix com a punt de mitja potència que significa -3dB inferior a la potència màxima assolible, respecte a 0dB, que és la màxima sortida possible de l'amplificador

Càlcul d'amplificadors

Calculeu el guany de tensió, intensitat i potència d’un amplificador amb les següents especificacions: Senyal d’entrada = 10mV @ 1mA Senyal de sortida = 1V @ 10mA.Cobriu addicionalment el guany de l’amplificador mitjançant valors de decibels (dB).

Solució:

Aplicant les fórmules apreses, podem avaluar els diferents tipus de guanys associats a l’amplificador segons les especificacions de sortida d’entrada:

Guany de tensió (Av) = Voltatge de sortida / Voltatge d’entrada = Vout / Vin = 1 / 0.01 = 100
Guany de corrent (Ai) = Corrent de sortida / Corrent d’entrada = Iout / Iin = 10/1 = 10
Guany de potència (Ap) = Av. x A jo = 100 x 10 = 1000

Per obtenir els resultats en decibels, apliquem les fórmules corresponents tal com s’indica a continuació:

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Subdivisions d'amplificadors

Amplificadors de senyal petits: Respecte a les especificacions de guany de potència i tensió d’un amplificador, ens és possible subdividir-les en un parell de categories diverses.

El primer tipus es coneix com el petit amplificador de senyal. Aquests petits amplificadors de senyal s’utilitzen generalment en etapes de preamplificador, amplificadors d’instrumentació, etc.

Aquest tipus d'amplificadors es creen per manejar nivells de senyal minúsculs a les seves entrades, dins del rang d'alguns micro volts, com ara des de dispositius de sensor o petites entrades de senyals d'àudio.

Amplificadors de senyal grans: El segon tipus d'amplificadors s'anomena amplificadors de senyal grans i, com el seu nom indica, s'utilitzen en aplicacions d'amplificadors de potència per aconseguir grans rangs d'amplificació. En aquests amplificadors, el senyal d'entrada és relativament més gran en magnitud, de manera que es podria ampliar substancialment per reproduir-los i conduir-los a altaveus potents.

Com funcionen els amplificadors de potència

Atès que els amplificadors de senyal petits estan dissenyats per processar voltatges d'entrada petits, es coneixen com a amplificadors de senyal petits. Tanmateix, quan es necessita un amplificador per treballar amb aplicacions de corrent de commutació elevades a les seves sortides, com ara accionar un motor o operar sub-woofers, un amplificador de potència esdevé inevitable.

Més popularment, els amplificadors de potència s’utilitzen com a amplificadors d’àudio per conduir altaveus grans i per aconseguir enormes amplificacions de nivell de música i sortides de volum.

Els amplificadors de potència necessiten alimentació de CC externa per al seu funcionament, i aquesta potència de CC s’utilitza per aconseguir l’amplificació d’alta potència prevista a la seva sortida. La potència de CC sol derivar-se mitjançant fonts d’alimentació d’alta tensió d’alta intensitat mitjançant transformadors o unitats basades en SMPS.

Tot i que els amplificadors de potència són capaços d’incrementar el senyal d’entrada inferior en senyals d’alta sortida, el procediment en realitat no és molt eficient. Es deu al fet que en el procés es malgasta una quantitat substancial de potència de CC en forma de dissipació de calor.

Sabem que un amplificador ideal produiria una sortida gairebé igual a la potència consumida, la qual cosa resultaria en una eficiència del 100%. Tanmateix, pràcticament això sembla bastant remot i pot ser que no sigui factible, a causa de les pèrdues inherents de corrent continu dels dispositius de potència en forma de calor.

Eficiència d'un amplificador A partir de les consideracions anteriors, podem expressar l'eficiència d'un amplificador com:

Eficiència = Potència de l'amplificador / Consum de CC de l'amplificador = Pout / Pin

Amplificador ideal

En referència a la discussió anterior, pot ser possible que expliquem les principals característiques d'un amplificador ideal. Són específicament tal com s’explica a continuació:

El guany (A) d’un amplificador ideal ha de ser constant independentment d’un senyal d’entrada variable.

1. El guany es manté constant independentment de la freqüència del senyal d’entrada, cosa que permet que l’amplificació de sortida no es vegi afectada.
2. La sortida de l’amplificador està lliure de qualsevol tipus de soroll durant el procés d’amplificació, al contrari, incorpora una característica de reducció de soroll que anul·la qualsevol possible soroll introduït a través de la font d’entrada.
3. No es veu afectat pels canvis en la temperatura ambiental o la temperatura atmosfèrica.
4. L’ús de llarga durada té un efecte mínim o nul·la en el rendiment de l’amplificador i es manté constant.

Classificació d'amplificadors electrònics

Tant si es tracta d’un amplificador de tensió com d’un amplificador de potència, es classifiquen en funció de les seves característiques de senyal d’entrada i sortida. Això es fa analitzant el flux de corrent respecte al senyal del senyal d'entrada i el temps necessari perquè arribi a la sortida.

Segons la seva configuració de circuits, els amplificadors de potència es poden classificar per ordre alfabètic. S'assignen amb diferents classes operatives, com ara:

Classe 'A'
Classe 'B'
Classe 'C'
Classe 'AB', etc.

Aquests poden tenir propietats que van des de la resposta de sortida gairebé lineal, però una eficiència més aviat baixa fins a una resposta de sortida no lineal amb alta eficiència.

Cap d'aquestes classes d'amplificadors es pot distingir com a més pobres o millors que les altres, ja que cadascun té la seva àrea d'aplicació específica en funció del requisit.

És possible que trobeu eficiències de conversió òptimes per a cadascuna d’aquestes i la seva popularitat es pot identificar en el següent ordre:

Amplificadors de classe 'A': l'eficiència és menor normalment menys del 40%, però pot mostrar una sortida de senyal lineal millorada.

Amplificadors de classe 'B': la taxa d'eficiència pot ser el doble que la de la classe A, pràcticament al voltant del 70%, a causa del fet que només els dispositius actius de l'amplificador consumeixen energia, causant només un 50% d'ús d'energia.

Amplificadors de la classe 'AB': els amplificadors d'aquesta categoria tenen un nivell d'eficiència entre el de la classe A i la classe B, però la reproducció del senyal és més baixa en comparació amb la classe A.

Amplificadors de classe 'C': es considera que són excepcionalment eficients en termes de consum d'energia, però la reproducció del senyal és pitjor, amb molta distorsió, provocant una reproducció molt deficient de les característiques del senyal d'entrada.

Com funcionen els amplificadors de classe A:

Els amplificadors de classe A tenen transistors esbiaixats idealment dins de la regió activa, cosa que permet amplificar amb precisió el senyal d’entrada a la sortida.

Gràcies a aquesta característica de polarització perfecta, els transistors mai no es poden desplaçar cap a les regions de saturació o de tall, cosa que permet optimitzar correctament l’amplificació del senyal i centrar-se entre les limitacions superiors i inferiors especificades del senyal, com es mostra a continuació. imatge:

A la configuració de classe A, s’apliquen conjunts idèntics de transistors a dues meitats de la forma d’ona de sortida. I, en funció del tipus de polarització que utilitzi, els transistors de potència de sortida sempre es representen en la posició ON activada, independentment de si s’aplica o no el senyal d’entrada.

A causa d'això, els amplificadors de classe A obtenen una eficiència extremadament pobra en termes de consum d'energia, ja que el lliurament real d'energia a la sortida es dificulta a causa d'un excés de malbaratament a través de la dissipació del dispositiu.

Amb la situació explicada anteriorment, es poden veure amplificadors de classe sempre amb transistors de potència de sortida sobrecalentats, fins i tot en absència d’un senyal d’entrada.

Tot i que no hi ha cap senyal d’entrada, el CC (Ic) de la font d’alimentació pot circular pels transistors de potència, que pot ser igual al corrent que circula per l’altaveu quan hi havia el senyal d’entrada. Això dóna lloc a un continu transistors 'calents' i un malbaratament d'energia.

Funcionament de l'amplificador de classe B.

A diferència de la configuració de l'amplificador de classe A que depèn de transistors de potència simples, la classe B utilitza un parell de BJT complementaris a cada mitja secció del circuit. Aquests podrien tenir la forma de NPN / PNP, o mosfet de canal N / mosfet de canal P).

Aquí, es permet que un dels transistors condueixi en resposta al mig cicle de forma d'ona del senyal d'entrada, mentre que l'altre transistor maneja l'altre mig cicle de la forma d'ona.

Això garanteix que cada transistor del parell condueixi la meitat del temps a la regió activa i la meitat del temps a la regió de tall, permetent així només un 50% de participació en l'amplificació del senyal.

A diferència dels amplificadors de classe A, en els amplificadors de classe B els transistors de potència no estan esbiaixats amb una CC directa, en canvi, la configuració garanteix que es condueixin només mentre el senyal d’entrada sigui superior al voltatge de l’emissor base, que podria ser d’uns 0,6 V per als BJT de silici.

Això implica que, quan no hi ha cap senyal d'entrada, els BJT romanen apagats i el corrent de sortida és zero. A causa d'això, només es permet que el 50% del senyal d'entrada entri a la sortida en qualsevol instància, cosa que permet una taxa d'eficiència molt millor per a aquests amplificadors. El resultat es pot veure al següent esquema:

Com que no hi ha cap implicació directa de CC per polaritzar els transistors de potència en els amplificadors de classe B, per tal d’iniciar la conducció en resposta als cicles de forma d’ona de cada mitja +/-, es fa imprescindible per a la seva base / emissor Vbe per adquirir un potencial superior a 0,6 V (valor de polarització de la base estàndard per als BJT)

A causa del fet anterior, implica que mentre la forma d'ona de sortida està per sota de la marca de 0,6 V, no es pot amplificar i reproduir.

Això dóna lloc a una regió distorsionada per a la forma d'ona de sortida, just durant el període en què un dels BJT s'apaga i espera que l'altre es torni a encendre.

Això provoca que una petita secció de la forma d'ona sigui sotmesa a una distorsió menor durant el període de creuament o el període de transició prop del pas zero, exactament quan es produeix el canvi d'un transistor a l'altre a través de parells complementaris.

Funcionament de l'amplificador de classe AB

L’amplificador de la classe AB es construeix mitjançant característiques de barreja f dels dissenys de circuits de classe A i classe B, d’aquí el nom de classe AB.

Tot i que el disseny de la classe AB també funciona amb un parell de BJT complementaris, l'etapa de sortida garanteix que la polarització dels BJT de potència es controli a prop del llindar de tall, en absència d'un senyal d'entrada.

En aquesta situació, tan bon punt es detecta un senyal d’entrada, els transistors negin que funcionen normalment a la seva regió activa inhibeixen així qualsevol possibilitat de distorsió creuada, que normalment és freqüent en configuracions de classe B. No obstant això, hi podria haver una petita quantitat de corrent de col·lector que es condueix a través dels BJT, la quantitat es pot considerar insignificant en comparació amb els dissenys de classe A.

Els amplificadors de tipus AB presenten una taxa d’eficiència molt millorada i una resposta lineal en comparació amb l’equivalent de classe A.

Forma d'ona de sortida d'amplificador de classe AB

La classe d'amplificadors és un paràmetre important que depèn de com es polaritzen els transistors a través de l'amplitud del senyal d'entrada per implementar el procés d'amplificació.

Es basa en la quantitat de la magnitud de la forma d'ona del senyal d'entrada que s'utilitza per a la realització dels transistors, i també en el factor d'eficiència, que està determinat per la quantitat d'energia realment utilitzada per lliurar la sortida i / o desaprofitada per dissipació.

Pel que fa a aquests factors, finalment podem crear un informe de comparació que mostri les diferències entre les diverses classes d'amplificadors, tal com es mostra a la taula següent.

A continuació, podem fer una comparació entre els tipus de classificacions d'amplificadors més habituals de la taula següent.

Classes d'amplificador de potència

Pensaments finals

Si un amplificador no està dissenyat correctament, com per exemple un disseny d'amplificadors de classe A, pot exigir dissipació de calor substancial als dispositius de potència, juntament amb ventiladors de refrigeració per a les operacions. Aquests dissenys també necessitaran una entrada d’alimentació més gran per compensar les enormes quantitats d’energia que es malgasta en calor. Tots aquests inconvenients poden fer que aquests amplificadors siguin molt ineficients, cosa que al seu torn podria provocar un deteriorament gradual dels dispositius i, finalment, fallades.

Per tant, pot ser aconsellable optar per un amplificador de classe B dissenyat amb una eficiència superior al voltant del 70% enfront del 40% d’un amplificador de classe A. Va dir que, l'amplificador de classe A pot prometre una resposta més lineal amb la seva amplificació i una resposta de freqüència més àmplia, tot i que això comporta un preu d'un malbaratament d'energia substancial.