Capire i circuiti dell'amplificatore

In generale, un amplificatore può essere definito come un circuito progettato per potenziare un segnale di ingresso a bassa potenza applicato in un segnale di uscita ad alta potenza, secondo la potenza specificata dei componenti.

Sebbene la funzione di base rimanga la stessa, gli amplificatori potrebbero essere classificati in diverse categorie a seconda del design e delle configurazioni.

Circuiti per amplificare gli ingressi logici

Potresti aver incontrato amplificatori a transistor singolo che sono configurati per operare e amplificare una logica di segnale basso da dispositivi di rilevamento di ingresso come LDR, fotodiodi , Dispositivi IR. L'uscita di questi amplificatori viene quindi utilizzata per commutare a ciabatte infradito oppure un relè ON / OFF in risposta ai segnali provenienti dai dispositivi sensori.

Potresti anche aver visto piccoli amplificatori che vengono utilizzati per preamplificare un ingresso musicale o audio o per azionare una lampada a LED.
Tutti questi piccoli amplificatori sono classificati come piccoli amplificatori di segnale.

Tipi di amplificatori

In primo luogo, i circuiti amplificatori sono incorporati per amplificare una frequenza musicale in modo tale che il piccolo ingresso musicale alimentato sia amplificato in molte pieghe, normalmente da 100 volte a 1000 volte e riprodotto su un altoparlante.

A seconda del wattaggio o della potenza nominale, tali circuiti possono avere progetti che vanno da piccoli amplificatori di segnale basati su amplificatore operazionale a grandi amplificatori di segnale che sono anche chiamati amplificatori di potenza.Questi amplificatori sono tecnicamente classificati in base ai loro principi di funzionamento, stadi del circuito e modo in che possono essere configurati per elaborare la funzione di amplificazione.

La tabella seguente fornisce i dettagli di classificazione degli amplificatori in base alle loro specifiche tecniche e al principio di funzionamento:

In un progetto di amplificatore di base troviamo che per lo più include alcuni stadi con reti di transistor bipolari o BJT, transistor ad effetto di campo (FET) o amplificatori operazionali.

Tali blocchi o moduli amplificatori potrebbero essere visti avere una coppia di terminali per alimentare il segnale di ingresso, e un'altra coppia di terminali in uscita per acquisire il segnale amplificato su un altoparlante collegato.

Uno dei terminali di questi due è i terminali di terra e potrebbe essere visto come una linea comune tra gli stadi di ingresso e di uscita.

Tre proprietà di un amplificatore

Le tre proprietà importanti che dovrebbe avere un amplificatore ideale sono:

• Resistenza in ingresso (Rin)
• Resistenza in uscita (Rout)
• Guadagno (A) che è la gamma di amplificazione dell'amplificatore.

Capire il funzionamento di un amplificatore ideale

La differenza nel segnale amplificato tra l'uscita e l'ingresso è definita come il guadagno dell'amplificatore. È la grandezza o la quantità con cui l'amplificatore è in grado di amplificare il segnale di ingresso attraverso i suoi terminali di uscita.

Prendiamo ad esempio, se un amplificatore è valutato per elaborare un segnale di ingresso di 1 volt in un segnale amplificato di 50 volt, allora diremmo che l'amplificatore ha un guadagno di 50, è così semplice.
Questo miglioramento di un segnale di ingresso basso a un segnale di uscita più alto è chiamato guadagno di un amplificatore. In alternativa, questo può essere inteso come un aumento del segnale di ingresso di un fattore 50.

Guadagna rapporto Pertanto, il guadagno di un amplificatore è fondamentalmente il rapporto tra i valori di uscita e di ingresso dei livelli del segnale, o semplicemente la potenza di uscita divisa per la potenza di ingresso, ed è attribuito dalla lettera 'A' che indica anche la potenza di amplificazione dell'amplificatore.

Tipi di guadagni dell'amplificatore I diversi tipi di guadagni dell'amplificatore possono essere classificati come:

1. Guadagno di tensione (spento)
2. Guadagno corrente (Ai)
3. Guadagno di potenza (Ap)

Formule di esempio per il calcolo dei guadagni dell'amplificatore A seconda dei 3 tipi di guadagni di cui sopra, le formule per il calcolo di questi potrebbero essere apprese dai seguenti esempi:

1. Guadagno di tensione (Av) = Tensione di uscita / Tensione di ingresso = Vout / Vin
2. Guadagno di corrente (Ai) = Corrente di uscita / Corrente di ingresso = Iout / Iin
3. Guadagno di potenza (Ap) = Av.x.A io

Per calcolare il guadagno di potenza, in alternativa puoi anche usare la formula:
Guadagno di potenza (Ap) = Potenza in uscita / Potenza in ingresso = Aout / Ain

Sarebbe importante notare che il pedice p, v, i utilizzati per il calcolo della potenza vengono assegnati per identificare il tipo specifico di guadagno del segnale su cui si sta lavorando.

Esprimere decibel

Troverai un altro metodo per esprimere il guadagno di potenza di un amplificatore, che è in decibel o (dB).
La misura o quantità Bel (B) è un'unità logaritmica (Base 10) che non ha un'unità di misura.
Tuttavia, un decibel potrebbe essere un'unità troppo grande per un uso pratico, quindi utilizziamo la versione ridotta del decibel (dB) per i calcoli dell'amplificatore.
Ecco alcune formule che possono essere impiegate per misurare il guadagno dell'amplificatore in decibel:

1. Guadagno di tensione in dB: off = 20 * log (Off)
2. Guadagno di corrente in dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Guadagno di potenza in dB: ap = 10 * log (Ap)

Alcuni fatti sulla misurazione dB
Sarebbe importante notare che il guadagno di potenza CC di un amplificatore è 10 volte il logaritmo comune del suo rapporto uscita / ingresso, mentre i guadagni di corrente e tensione sono 20 volte il logaritmo comune dei loro rapporti.

Ciò implica che, poiché è coinvolta una scala logaritmica, un guadagno di 20dB non può essere considerato pari al doppio di 10dB, a causa della caratteristica di misurazione non lineare delle scale logaritmiche.

Quando il guadagno viene misurato in dB, valori positivi indicano guadagno dell'amplificatore mentre un valore dB negativo indica una perdita di guadagno dell'amplificatore.

Ad esempio, se viene identificato un guadagno di + 3dB, indica un guadagno 2 volte o x2 della particolare uscita dell'amplificatore.

Al contrario, se il risultato è -3dB, indica che l'amplificatore ha una perdita di guadagno del 50% o una misura di perdita x0,5 nel suo guadagno. Questo è anche indicato come punto di mezza potenza che significa -3dB inferiore alla massima potenza ottenibile, rispetto a 0dB che è l'uscita massima possibile dall'amplificatore

Calcolo degli amplificatori

Calcola la tensione, la corrente e il guadagno di potenza di un amplificatore con le seguenti specifiche: Segnale di ingresso = 10 mV a 1 mA Segnale di uscita = 1 V a 10 mA. Inoltre, scopri il guadagno dell'amplificatore utilizzando valori di decibel (dB).

Soluzione:

Applicando le formule apprese sopra, possiamo valutare i diversi tipi di guadagni associati all'amplificatore secondo le specifiche di ingresso uscita in mano:

Guadagno di tensione (Av) = Tensione di uscita / Tensione di ingresso = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Guadagno di corrente (Ai) = Corrente di uscita / Corrente di ingresso = Iout / Iin = 10/1 = 10
Guadagno di potenza (Ap) = Av. x A io = 100 x 10 = 1000

Per ottenere i risultati in decibel applichiamo le formule corrispondenti come indicato di seguito:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Suddivisioni dell'amplificatore

Piccoli amplificatori di segnale: Per quanto riguarda le specifiche di guadagno di potenza e tensione di un amplificatore, diventa possibile suddividerle in un paio di categorie diverse.

Il primo tipo è indicato come il piccolo amplificatore di segnale. Questi piccoli amplificatori di segnale sono generalmente utilizzati in stadi preamplificatori, amplificatori per strumentazione ecc.

Questi tipi di amplificatori sono creati per gestire livelli di segnale minuto ai loro ingressi, entro la gamma di alcuni micro volt, come da dispositivi sensori o piccoli segnali audio in ingresso.

Amplificatori di segnale di grandi dimensioni: Il secondo tipo di amplificatori sono denominati amplificatori di segnale di grandi dimensioni e, come suggerisce il nome, vengono utilizzati nelle applicazioni di amplificazione di potenza per ottenere enormi intervalli di amplificazione. In questi amplificatori il segnale di ingresso è di ampiezza relativamente maggiore in modo che possano essere sostanzialmente amplificati per riprodurli e guidarli in potenti altoparlanti.

Come funzionano gli amplificatori di potenza

Poiché i piccoli amplificatori di segnale sono progettati per elaborare piccole tensioni di ingresso, questi sono indicati come piccoli amplificatori di segnale. Tuttavia, quando è necessario che un amplificatore funzioni con applicazioni ad alta corrente di commutazione alle loro uscite, come il funzionamento di un motore o il funzionamento di subwoofer, un amplificatore di potenza diventa inevitabile.

Più comunemente, gli amplificatori di potenza sono impiegati come amplificatori audio per pilotare altoparlanti di grandi dimensioni e per ottenere enormi amplificazioni di livello musicale e uscite di volume.

Gli amplificatori di potenza richiedono alimentazione CC esterna per il loro funzionamento e questa potenza CC viene utilizzata per ottenere l'amplificazione ad alta potenza prevista alla loro uscita. L'alimentazione CC è solitamente derivata da alimentatori ad alta tensione ad alta corrente tramite trasformatori o unità basate su SMPS.

Sebbene gli amplificatori di potenza siano in grado di amplificare il segnale di ingresso inferiore in segnali di uscita elevati, la procedura in realtà non è molto efficiente. È perché nel processo una notevole quantità di corrente continua viene sprecata sotto forma di dissipazione del calore.

Sappiamo che un amplificatore ideale produrrebbe un'uscita quasi uguale alla potenza consumata, con un'efficienza del 100%. Tuttavia, in pratica questo sembra abbastanza remoto e potrebbe non essere fattibile, a causa delle perdite di potenza CC intrinseche dai dispositivi di alimentazione sotto forma di calore.

Efficienza di un amplificatore Dalle considerazioni precedenti possiamo esprimere l'efficienza di un amplificatore come:

Efficienza = Potenza di uscita dell'amplificatore / Consumo CC dell'amplificatore = Pout / Pin

Amplificatore ideale

Con riferimento a quanto sopra esposto, ci può essere possibile delineare le principali caratteristiche di un amplificatore ideale. Sono specificatamente come spiegato di seguito:

Il guadagno (A) di un amplificatore ideale dovrebbe essere costante indipendentemente da un segnale di ingresso variabile.

1. Il guadagno rimane costante indipendentemente dalla frequenza del segnale di ingresso, consentendo all'amplificazione di uscita di rimanere inalterata.
2. L'uscita dell'amplificatore è esente da qualsiasi tipo di rumore durante il processo di amplificazione, al contrario, incorpora una funzione di riduzione del rumore che annulla ogni possibile rumore introdotto dalla sorgente di ingresso.
3. Non viene influenzato dalle variazioni della temperatura ambiente o della temperatura atmosferica.
4. L'utilizzo prolungato ha un effetto minimo o nullo sulle prestazioni dell'amplificatore e rimane coerente.

Classificazione dell'amplificatore elettronico

Che si tratti di un amplificatore di tensione o di un amplificatore di potenza, questi sono classificati in base alle caratteristiche del segnale di ingresso e di uscita. Questo viene fatto analizzando il flusso di corrente rispetto al segnale del segnale di ingresso e il tempo necessario per raggiungere l'uscita.

In base alla configurazione del loro circuito, gli amplificatori di potenza possono essere classificati in ordine alfabetico. Ad essi vengono assegnate diverse classi operative quali:

Classe A'
Classe 'B'
Classe 'C'
Classe 'AB' e così via.

Questi possono avere proprietà che vanno dalla risposta di uscita quasi lineare ma piuttosto bassa efficienza a una risposta di uscita non lineare ad alta efficienza.

Nessuna di queste classi di amplificatori può essere distinta come più scarsa o migliore l'una dell'altra, poiché ciascuna ha un proprio campo di applicazione specifico a seconda delle esigenze.

Potresti trovare efficienze di conversione ottimali per ciascuno di questi e la loro popolarità può essere identificata nel seguente ordine:

Amplificatori di classe 'A': l'efficienza è generalmente inferiore al 40%, ma può mostrare un migliore output del segnale lineare.

Amplificatori di classe 'B': il tasso di efficienza può essere il doppio di quello della classe A, praticamente intorno al 70%, a causa del fatto che solo i dispositivi attivi dell'amplificatore consumano energia, causando solo il 50% di utilizzo della potenza.

Amplificatori di classe 'AB': gli amplificatori di questa categoria hanno un livello di efficienza compreso tra quello della classe A e quello della classe B, ma la riproduzione del segnale è inferiore rispetto alla classe A.

Amplificatori di classe 'C': sono considerati eccezionalmente efficienti in termini di consumo energetico, ma la riproduzione del segnale è peggiore con molta distorsione, causando una replica molto scarsa delle caratteristiche del segnale di ingresso.

Come funzionano gli amplificatori di classe A:

Gli amplificatori di classe A hanno transistor idealmente polarizzati all'interno della regione attiva che consente di amplificare accuratamente il segnale di ingresso in uscita.

A causa di questa caratteristica di polarizzazione perfetta, i transistor non possono mai spostarsi verso le loro regioni di cut-off o di saturazione eccessiva, con il risultato che l'amplificazione del segnale è correttamente ottimizzata e centrata tra i limiti superiore e inferiore specificati del segnale, come mostrato di seguito Immagine:

Nella configurazione di classe A, set identici di transistor vengono applicati su due metà della forma d'onda di uscita. E a seconda del tipo di polarizzazione che impiega, i transistor di potenza di uscita sono sempre resi nella posizione di accensione, indipendentemente dal fatto che il segnale di ingresso sia applicato o meno.

Per questo motivo, gli amplificatori di classe A ottengono un'efficienza estremamente scarsa in termini di consumo energetico, poiché l'effettiva erogazione di potenza all'uscita viene ostacolata a causa dell'eccessivo spreco dovuto alla dissipazione del dispositivo.

Con la situazione sopra spiegata, gli amplificatori di classe possono essere visti avere sempre transistor di potenza di uscita surriscaldati anche in assenza di un segnale di ingresso.

Anche se non c'è segnale in ingresso, la corrente continua (Ic) dall'alimentatore può fluire attraverso i transistor di potenza, che può essere uguale alla corrente che fluisce attraverso l'altoparlante quando il segnale in ingresso era presente. Ciò dà luogo a transistor 'caldi' continui e spreco di potenza.

Funzionamento dell'amplificatore di classe B.

In contrasto con la configurazione dell'amplificatore di classe A che dipende da singoli transistor di potenza, la classe B utilizza una coppia di BJT complementari su ciascuna mezza sezione del circuito. Questi potrebbero essere sotto forma di NPN / PNP o mosfet a canale N / mosfet a canale P).

In questo caso, uno dei transistor può condurre in risposta a un semiciclo della forma d'onda del segnale di ingresso, mentre l'altro transistor gestisce l'altro semiciclo della forma d'onda.

Ciò garantisce che ogni transistor nella coppia conduca per metà del tempo all'interno della regione attiva e metà del tempo nella regione di cut-off, consentendo così solo il 50% di coinvolgimento nell'amplificazione del segnale.

A differenza degli amplificatori di classe A, negli amplificatori di classe B i transistor di potenza non sono polarizzati con una CC diretta, invece la configurazione garantisce che conducano solo mentre il segnale di ingresso è superiore alla tensione dell'emettitore di base, che potrebbe essere di circa 0,6 V per i BJT al silicio.

Ciò implica che, quando non c'è segnale in ingresso, i BJT rimangono spenti e la corrente in uscita è zero. E per questo motivo solo il 50% del segnale in ingresso può entrare in uscita in qualsiasi momento, consentendo un tasso di efficienza molto migliore per questi amplificatori. Il risultato può essere visto nel diagramma seguente:

Poiché non esiste un coinvolgimento diretto della corrente continua per polarizzare i transistor di potenza negli amplificatori di classe B, al fine di avviare la conduzione in risposta a ciascun mezzo +/- cicli di forma d'onda, diventa imperativo per la loro base / emettitore Vbe acquisire un potenziale superiore a 0,6 V (valore di polarizzazione di base standard per BJT)

A causa di quanto sopra, implica che mentre la forma d'onda di uscita è al di sotto del segno 0,6 V, non può essere amplificata e riprodotta.

Ciò dà origine a una regione distorta per la forma d'onda di uscita, proprio durante il periodo in cui uno dei BJT viene spento e attende che l'altro si riaccenda.

Ciò si traduce in una piccola sezione della forma d'onda soggetta a una minore distorsione durante il periodo di cross over o il periodo di transizione vicino allo zero crossing, esattamente quando il passaggio da un transistor all'altro avviene attraverso coppie complementari.

Funzionamento dell'amplificatore di classe AB

L'amplificatore di classe AB è costruito utilizzando una combinazione di caratteristiche di circuiti di classe A e B, da cui il nome di classe AB.

Sebbene il design di Classe AB funzioni anche con una coppia di BJT complementari, lo stadio di uscita assicura che la polarizzazione dei BJT di potenza sia controllata vicino alla soglia di taglio, in assenza di un segnale di ingresso.

In questa situazione, non appena viene rilevato un segnale in ingresso, i transistori negativi operano normalmente nella loro regione attiva inibendo così ogni possibilità di distorsione di cross over, che è normalmente prevalente nelle configurazioni di Classe B. Tuttavia, potrebbe esserci una leggera quantità di corrente del collettore che conduce attraverso i BJT, l'importo può essere considerato trascurabile rispetto ai modelli di Classe A.

Il tipo di amplificatore di classe AB mostra un tasso di efficienza molto migliore e una risposta lineare rispetto alla controparte di classe A.

Forma d'onda di uscita dell'amplificatore di classe AB

La classe dell'amplificatore è un parametro importante che dipende da come i transistor sono polarizzati attraverso l'ampiezza del segnale di ingresso, per implementare il processo di amplificazione.

Si basa su quanto della grandezza della forma d'onda del segnale di ingresso viene utilizzata per la conduzione dei transistor e anche sul fattore di efficienza, che è determinato dalla quantità di potenza effettivamente utilizzata per fornire l'uscita e / o sprecata attraverso la dissipazione.

Per quanto riguarda questi fattori possiamo finalmente creare un report di confronto che mostri le differenze tra le varie classi di amplificatori, come riportato nella tabella seguente.

Quindi possiamo fare un confronto tra i tipi più comuni di classificazioni di amplificatori nella tabella seguente.

Classi di amplificatori di potenza

Pensieri finali

Se un amplificatore non è progettato correttamente, come ad esempio un amplificatore di classe A, può richiedere un notevole dissipatore di calore sui dispositivi di potenza, insieme a ventole di raffreddamento per le operazioni. Tali progetti richiederanno anche ingressi di alimentazione più grandi per compensare le enormi quantità di energia sprecate con il calore. Tutti questi inconvenienti possono rendere tali amplificatori molto inefficienti che a loro volta potrebbero causare un progressivo deterioramento dei dispositivi ed eventualmente guasti.

Pertanto, potrebbe essere consigliabile optare per un amplificatore di classe B progettato con una maggiore efficienza di circa il 70% rispetto al 40% di un amplificatore di classe A. Detto questo, l'amplificatore di classe A può promettere una risposta più lineare con la sua amplificazione e una risposta in frequenza più ampia, sebbene ciò abbia un prezzo di notevole spreco di potenza.