CFGM d Instal lacions elèctriques i automàtiques M9 Electrònica UF2: Electrònica analògica Tutorial amplificador classe A Autor: Jesús Martin (Curs 2012-13 / S1) Introducció Un amplificador és un aparell que augmenta l amplitud o intensitat d un fenomen físic. Aquest mot també sol designar-se a un aparell que permet augmentar un so musical en els equips reproductors d àudio o en els instruments electrònics. Aquest cas és un particular de un més general: l amplificador electrònic que és un conjunt de vàlvules electròniques, repetidors, transistors, sistemes magnètics, i altres elements de electrònica del estat sòlid. Altrament trobem terminologies com etapa de potencia, amplificador de potencia o etapa de guany que son noms que s utilitzen per anomenar a l etapa de sortida o excitació de l amplificador d àudio. En tots els cassos, la funció de l amplificador és augmentar el nivell d un senyal, incrementant per això, l amplitud del senyal d entrada mitjançant intensitats de polarització en el transistor de sortida. El funcionament en classe A es produeix quan el transistor condueix durant tot el cicle de senyal sense entrar en saturació o en tall. Tenint en compte que el rendiment de l amplificador es defineix com la potencia de senyal en la càrrega dividida por la potencia lliurada per la font d alimentació, tot multiplicat per 100, podem afirmar que el rendiment de un amplificador classe A és petit, en general molt per sota del 25%. En aquest tutorial es descriu d una forma pràctica el principi de funcionament i la resposta d un amplificador classe A amb transistor bipolar. Aquest anàlisi genèric pot ser extensiu a amplificadors classe A d altres tecnologies.
El nostre amplificador classe A Aquest és el nostre amplificador: Identificació de components: Alimentació contínua: 15VCC Entrada de senyal a través de C1, condensador d acoblament d entrada. Circuit de polarització per divisor de tensió: R1, R2. Resistència d emissor, R3, i condensador de pas, C3. Configuració de transistor en col lector comú (CC), sortida de senyal per emissor. Sortida de senyal aplicat a l altaveu a través de C2, condensador d acoblament de sortida. Qualsevol circuit, també el nostre amplificador consta de dos circuits: Equivalent en CC: és el circuit de polarització de l amplificador i analitza únicament la resposta amb la presència de la font d alimentació Equivalent en CA: és el circuit amb senyal de l amplificador i analitza la resposta quan s injecta senyal. Pel teorema de superposició dels efectes, el funcionament global de l amplificador serà la suma dels dos circuits equivalents.
Anàlisi en CC Per analitzar el circuit en CC, anomenat de polarització, cal eliminar el senyal: Anular el generador de senyal. Obrir tots els condensadors o desconnectar-los. NOTA: en CC un condensador actua com un interruptor obert doncs quan es carrega a la tensió d alimentació no circula intensitat. El circuit de polarització ens permet situar el punt de treball (Q) òptim del transistor que permeti posteriorment treballar en amplificació. Una elecció no encertada del punt de treball donarà com resultat un retall del senyal de sortida de l amplificador El punt de treball vindrà definit per : VCE, tensió col lector emissor. IB, intensitat de base. IC, intensitat de col lector Recta de càrrega en AC Recta de càrrega en CC
Seguidament realitzem l anàlisi del circuit equivalent en CC del nostre amplificador El punt de treball del nostre amplificador és : VCE, tensió col lector emissor, 5,519V. IB, intensitat de base, 121µA IC, intensitat de col lector 20mA La recta de càrrega en CC es determina per 3 punts : el punt de treball (Q), VCE=5,519V, IB=121µA, IC=20mA la tensió de tall, (VCETALL), IC=0, VCETALL = VCE = 15V la intensitat de saturació, VCE=0, IC=VCE/RE=15V/470Ω=31,91mA IC 31,91mA 20mA Punt de saturació Punt de treball Punt de tall 5,519V 15V VCE
Anàlisi en AC Per analitzar el circuit en AC, cal seguir... Anular totes les fonts de corrent continua. Posar en curtcircuit tots els condensadors NOTA: en CA un condensador actua com un interruptor tancat doncs es carrega i descarrega contínuament a la freqüència del senyal i sempre circula intensitat. Analitzem el circuit... Les resistències de polarització és veuen en paral lel a l entrada del transistor (Thevenin) La resistència de càrrega per senyal (rc) és l altaveu (8Ω) la tensió de tall, (VCETALL AC), o VCEQ + ICQ rc = 5,519 + 20mA 8 Ω o VCETALL AC = 5,519 + 160mV = 5,679V Si el punt de treball està centrat, el valor màxim del senyal a la sortida sense retallar seria: MPP = 2. ICQ rc = 2 20mA 8Ω = 320mVpp En el cas del nostre amplificador el senyal màxim sense retallar serà o ICQ rc = 20mA 8 Ω = 160mV Punt de treball 5,519V Punt de tall 5,679V 160mV
http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/2/n/3/9/2n3904.shtml
Comprovació de funcionament Realitzem ara la simulació de l amplificador, per un senyal d entrada de 100mVp... Comentaris de funcionament: El guany de senyal en tensió és inferior a la unitat i simètric als dos semiperíodes: VENT = 98,614mVp VSOR = 80,951mVp GV = 0,82 Aquesta configuració és en classe A, col lector comú, doncs l aplicació que volem obtenir és un guany d intensitat en l etapa de sortida de l amplificador. El valor de la intensitat en la càrrega (7,029mA) es determina aproximadament per: ic = VPP SENYAL / r e ic = 200mVpp / 25 Ω = 8mA r e és el valor de la resistència d emissor en AC que en amplificadors de petita senyal es considera un valor de 25 Ω
Saturació de senyal Incrementem el nivell d entrada de senyal a 200mVp. Comprovem la resposta... Comentaris de funcionament: El senyal de sortida del semiperíode positiu és correcte, mantenint els nivells esperats: VENT = 198,59mVp VSOR = 155,222mVp GV = 0,78. S observa però, al semiperíode negatiu, una distorsió en amplitud del senyal de sortida VENT = -198,59mVp VSOR = -131,607mVp Això fa pensa que està responen al nivell màxim teòric del senyal determinat a la pàgina 5 (160mVp).
Constatació del nivell màxim de sortida Tornem a incrementar el nivell d entrada de senyal ara fins 300mVp. Comprovem la resposta... Comentaris de funcionament: El senyal de sortida del semiperíode positiu continua correcte, mantenint els nivells esperats: VENT = 297,991mVp VSOR = 210,69mVp GV = 0,707. Continua apareixent una distorsió en amplitud del senyal de sortida al semiperíode negatiu, VENT = -298765mVp VSOR = 141,488mVp Es confirma que el nivell d amplitud negatiu, en saturació, no passa del nivell màxim teòric del senyal determinat a la pàgina 5 (160mVp).