Amplificatoare cu reactie

Amplificatoare cu reactie

Definitii

Daca un anumit procent din semnalul de iesire al amplificatorului este conectat la intrarea acestuia, astfel incat amplificatorul amplifica o parte din propriul sau semnal de iesire, rezultatul va fi un amplificator cu reactie.

Prin reactie pozitiva se intelege cresterea amplitudinii semnalului de intrare

Prin reactie negativa se intelege o scadere a amplitudinii semnalului de intrare

Amplificator cu reactie negativa

Un amplificator echipat cu reactie negativa este mai stabil, distorsioneaza mai putin semnalul de intrare si, in general, este capabil de amplificarea unor frecvente mai largi. Dezavantajul este un factor de amplificare mai scazut.

Amplificator simplu, fara reactie

Sa examinam un amplificator simplu, initial fara reactie.

Configuratia amplificatorului de mai sus este emitor comun, cu o retea de polarizare formata din divizorul de tensiune R₁--R₂. Condensatorul cupleaza semnalul de intrare in c.a., astfel incat sursa de semnal sa nu contina o componenta de c.c. datorita divizorului de tensiune R₁--R₂. Rolul rezistorului R₃ este de a controla amplificarea in tensiune, si l-am putea indeparta pentru o amplificare in tensiune maxima.

La fel ca si in cazul tuturor amplificatoarelor emitor comun, si acesta inverseaza semnalul de intrare. Putem vedea alaturat formele de unda ale tensiunilor de intrare si iesire.

Reactia negativa intre colector si baza

Datorita faptului ca semnalul de iesire este inversat (defazat cu 180^o (anti-faza)), orice conexiune intre iesirea (colector) si intrarea (baza) tranzistorului va duce la aparitia unei reactii negative.

Rezistentele R₁, R₂, R₃, si R_reactie functioneaza impreuna precum o retea de semnale, astfel ca tensiunea de la baza tranzistorului (fata de pamant) reprezinta o medie a tensiunii de intrare si a tensiunii de reactie negativa, rezultand un semnal de o amplitudine redusa la intrarea amplificatorului. Astfel, amplificatorul de mai sus, va avea un factor de amplificare mai redus, dar o liniaritate imbunatatita (reducerea distorsiunilor) si o banda de frecvente marita.

Reactia negativa intre emitor si impamantarea circuitului

Aceasta nu este insa singura modalitate de introducere a reactiei negative intr-un amplificator emitor comun. O alta metoda, desi mai greu de inteles la inceput, consta in introducerea unui rezistor intre terminalul emitorului si impamantarea circuitului.

In acest caz, caderea de tensiune pe rezistorul de reactie va fi direct proportionala cu valoarea curentului prin emitorul tranzistorului, opunandu-se in acest fel influentei semnalului de intrare asupra jonctiunii baza-emitor a tranzistorului.

Sa ne uitam mai atent la jonctiunea emitor-baza pentru a ne da seama de efectele introducerii acestui rezistor in circuit:

Atunci cand nu avem rezistorul de reactie in circuit (R_reactie), tensiunea de intrare (V_intrare) ce trece de condensatorul de cuplaj si de reteaua formata din rezistorii R₁/R₂/R₃, se va regasi in totalitate pe jonctiunea baza-emitor a tranzistorului sub forma tensiunii de intrare (V_B-E). Cu alte cuvinte, fara R_reactie, V_B-E = V_intrare. Prin urmare, daca V_intrare creste cu 100 mV, atunci si V_B-E creste cu 100 mV: variatia uneia este egala cu variatia celeilalte, din moment ce ambele tensiunii sunt egale.

Sa examinam acum efectele introducerii rezistorului R_reactie intre emitor si impamantare.

De data aceasta, V_reactie + V_B-E = V_intrare. Odata cu introducerea rezistentei de reactie in bucla (V_intrare, V_B-E nu va mai fi egala cu V_intrare. Stim faptul ca rezistorul R_reactie va avea o cadere de tensiune la bornele sale proportionala cu valoarea curentului prin emitor, valoare ce este controlata de curentul de baza, curent ce este la randul lui controlat de caderea de tensiune pe jonctiunea baza-emitor (V_B-E) a tranzistorului. Astfel, daca tensiunea de intrare creste, acest lucru va duce la cresterea lui V_B-E, ce duce la cresterea curentului bazei, ce duce la cresterea curentului prin colector (sarcina), ce cauzeaza cresterea curentului prin emitor, care la randul lui va determina cresterea caderii de tensiune pe rezistorul de reactie R_reactie. Dar aceasta crestere a caderii de tensiune pe R_reactie se scade din tensiune de intrare (V_intrare), lucru ce duce la reducerea caderii de tensiune intre baza si emitor (V_B-E); cresterea reala a lui V_B-E va fi de fapt mai mica decat cresterea lui V_intrare. O crestere de 100 mV a tensiunii de intrare nu va mai duce la o crestere de 100 mV a tensiunii de polarizare baza-emitor, intrucat cele doua tensiuni nu sunt egale intre ele.

Ca urmare, tensiunea de intrare exercita un control mai redus asupra tranzistorului fata de cazurile precedente, iar amplificarea in tensiune este redusa si ea ca urmare a introducerii rezistorului de reactie.

Deriva termica

In circuitele emitor comun practice, reactia negativa nu este doar un lux, ci o necesitate pentru functionarea stabila a circuitului. Intr-o lume perfecta, am putea construi si utiliza un amplificator emitor comun fara reactie negativa, iar acest lucru ne-ar furniza o amplificare mare in tensiune. Din pacate insa, relatia dintre tensiunea baza-emitor si curentul baza-emitor variaza cu temperatura, acest lucru fiind descris de ecuatia diodei. Pe masura ce tranzistorul se incalzeste, caderea de tensiune pe jonctiunea baza-emitor necesara pentru aceeasi valoare a curentului va fi tot mai mica. Acest lucru nu este de dorit, intrucat divizorul de tensiune R₁--R₂ este proiectat sa furnizeze curentul corect pentru functionarea tranzistorului la punctul static de functionare. Daca relatia curent/tensiune a tranzistorului variaza cu temperatura, valoarea tensiunii de polarizare in c.c, necesara pentru operarea tranzistorului in clasa dorita, se va modifica. Un tranzistor incalzit va conduce un curent si mai mare pentru aceeasi valoare a tensiunii de polarizare, ducand la o incalzire si mai mare a acestuia si la un curent si mai mare de polarizare. Efectul este cunoscut sub numele de deriva termica.

Conexiunea colector comun

Amplificatoarele colector comun nu sunt afectate de deriva termica. De ce? Raspunsul este strans legat de reactia negativa.

Putem observa ca sarcina amplificatorului colector comun este conectata in exact acelasi loc in care am introdus R_reactie in circuitul precedent, si anume, intre emitor si impamantare. Acest lucru inseamna ca singura cadere de tensiune pe jonctiunea baza-emitor este reprezentata de diferenta dintre V_intrare si V_iesire, rezultatul fiind o amplificare in tensiune foarte mica (de obicei aproape de 1). Aparitia derivei termice este imposibila pentru acest tip de amplificator: in cazul in care curentul bazei ar creste datorita incalzirii tranzistorului, curentul emitorului va creste si el, rezultand o cadere de tensiune mai mare pe sarcina, cadere de tensiune ce se scade din tensiunea de intrare (V_intrare); acest lucru duce la descresterea caderii de tensiune intre baza si emitor.

Avantajele utilizarii reactiei negative

Prin adaugarea unui rezistor de reactie intre emitor si impamantare in cazul unui amplificator emitor comun, amplificatorul se va comporta mai putin precum un amplificator emitor comun "pur" si putin mai mult precum un amplificator colector comun. Valoarea acestui rezistor de reactie este in general mult mai mica decat valoarea sarcinii, minimizand cantitatea de reactie negativa si mentinand amplificarea in tensiune destul de ridicata.

Un alt beneficiu al reactiei negative consta in faptul ca scade dependenta amplificarii in tensiune de caracteristicile tranzistorului. Observati ca in cazul amplificatorului colector comun, amplificarea in tensiune este aproximativ egala cu 1, indiferent de factorul beta (β) al amplificatorului. Acest lucru inseamna, printre altele, ca putem schimba tranzistorul din configuratia colector comun cu un alt tranzistor al carui factor beta este diferit, fara a vedea modificari semnificative fata de amplificarea tensiunii. Intr-un amplificator emitor comun, amplificarea in tensiune depinde foarte mult de β. Daca ar fi sa inlocuim un tranzistor dintr-o configuratie emitor comun, cu un tranzistor al carui β este diferit, amplificarea in tensiune ar suferi modificari substantiale. Intr-un amplificator emitor comun cu reactie negativa, amplificarea in tensiune va fi de asemenea dependenta de factorul beta intr-o oarecare masura, dar nu intr-o asemenea masura precum fara reactie; circuitul va fi in acest caz mult mai previzibil, in ciuda variatiilor factorului β al tranzistorilor folositi.

Condensatorul de decuplare

Faptul ca trebuie sa introducem o reactie negativa intr-un amplificator emitor comun pentru evitarea derivei termice nu este o solutie satisfacatoare. Putem evita deriva termica fara a fi nevoiti a suprima factorul de amplificare in tensiune ridicat al acestui tip de amplificator?

Putem gasi o solutie daca analizam indeaproape aceasta problema: tensiunea amplificata care trebuie minimizata pentru evitarea derivei termice, este cea de c.c., nu cea de c.a. Nu semnalul de intrare in c.a. este cel care duce la aparitia derivei termice, ci tensiunea de polarizare in c.c., tensiune necesara pentru o anumita clasa de functionare; este acea tensiune de c.c. folosita pentru a "pacali" tranzistorul (un dispozitiv de c.c.) sa amplifice si semnale de c.a. Putem suprima amplificarea in c.c. fara ca acest lucru sa afecteze amplificare in c.a., daca putem gasi o cale prin care reactia negativa sa functioneze doar in c.c. Cu alte cuvinte, daca semnalul reintrodus de la iesire la intrare este un semnal de c.c., nu de c.a.

Daca vrem ca reactia negativa sa contina doar semnale de c.c., dar nu si semnale de c.a., avem nevoie de o impedanta mare pentru c.c. dar mica pentru c.a. Ce tip de circuit prezinta o impedanta mare la c.c. dar o impedanta mica la c.a.? Desigur, un filtru trece-sus.

Prin conectarea unui condensator in paralel cu rezistorul de reactie, putem crea exact situatia de care avem nevoie: o cale dinspre emitor spre impamantare ce este mai usor de parcurs pentru semnalele de c.a. decat cele de c.c.

Noul condensator decupleaza semnalele de c.a. dinspre emitor spre impamantare, astfel incat sa nu existe o cadere de tensiune apreciabila (impedanta mica, cadere de tensiune mica) intre emitor si impamantare, tensiunea care ar putea duce la suprimarea amplificarii in tensiune a circuitului.

Curentul continuu, pe de alta parte, nu poate trece prin condensatorul de decuplare (impedanta mare in c.c.) si trebuie sa treaca prin rezistorul de reactie; acest lucru duce la aparitia unei caderi de tensiune intre emitor si impamantare ce afecteaza amplificarea in tensiune a circuitului si stabilizeaza raspunsul amplificatorului in c.c. prevenind astfel deriva termica. Deoarece vrem ca reactanta (X_C) acestui condensator sa fie cat mai mica posibila, acesta ar trebui sa fie cat mai mare. Deoarece polaritatea acestui condensator nu se va modifica niciodata, putem folosi un condensator polarizat (electrolitic) in aceasta situatie.

Folosirea amplificatoarelor etajate

O alta abordare a problemei reducerii amplificarii in tensiune datorita utilizarii reactiei negative, este folosirea mai multor etaje de amplificare in loc de unul singur. In cazul in care amplificarea atenuata in tensiune a unui singur tranzistor nu este suficienta pentru aplicatia respectiva, putem folosi mai multi tranzistori pentru compensarea reducerii cauzate de reactia negativa. Circuitul alaturat consta din trei etaje de amplificare in conexiune emitor comun cu reactie negativa:

Reactia negativa de la etajul final inspre intrare se realizeaza prin intermediul unui singur rezistor, R_reactie. Din moment ce fiecare etaj este un amplificator emitor comun (inversor), numarul impar de etaje dinspre intrare spre iesire va inversa semnalul de iesire, iar reactia va fi negativa. Se pot folosi valori relativ mari de reactie fara a sacrifica amplificarea in tensiune, deoarece aceasta amplificare este foarte mare de la bun inceput.

Avantaje

La o privire de ansamblu, poate parea ca aceasta filozofie nu este eleganta si este chiar contra-productiva. Nu este adaugarea de etaje unul dupa altul o metoda cam grosolana de evitare a pierderilor de amplificare in tensiune, datorita utilizarii reactiei negative? Ce rost are sa cream o amplificare in tensiune foarte mare, folosind trei etaje de amplificare, daca vom atenua oricum aceasta amplificare prin intermediul reactiei negative? "Rostul" acestei configuratii este cresterea stabilitatii si a predictabilitatii circuitului, luat ca intreg. Daca cele trei etaje de amplificare sunt proiectate pentru furnizarea unei amplificari in tensiune foarte mari (zeci de mii, sau chiar mai mult), fara reactie, vom descoperi ca adaugarea reactiei negative in circuit se traduce printr-o dependenta mult mai mica a amplificarii in tensiune fata de amplificarile fiecarui etaj in parte; amplificarea in tensiune va fi aproximativ egala cu raportul R_reactie/R_intrare. Cu cat circuitul prezinta o amplificare in tensiune mai mare (fara reactie), cu atat amplificarea in tensiune va fi mai apropiata de R_reactie/R_intrare odata ce este introdusa si reactia in circuit. Cu alte cuvinte, amplificarea in tensiune a acestui circuit depinde doar de valorile celor doi rezistori, si de nimic altceva.

Acest lucru este un avantaj imens pentru productia de serie a circuitelor electronice: daca se pot construi amplificatoare cu o amplificare previzibila folosind tranzistori cu factori beta diferiti intre ei, selectia si inlocuirea componentelor este foarte usoara. Inseamna de asemenea ca amplificarea variaza foarte putin cu temperatura. Acest principiu de stabilizare a amplificarii este dus la extrem in cazul amplificatoarelor operationale.

Histereza

Dispozitivele multijonctiune sunt o clasa de componente semiconductoare cu histereza, o proprietate prin care un sistem nu se reintoarce la starea sa initiala dupa ce actiunea perturbatoare este indepartata. Un exemplu foarte simplu de histereza il constituie un intrerupator mecanic: atunci cand bratul este actionat, acesta se va pozitiona pe una din cele doua pozitii extreme si va ramane in acesta pozitie chiar si dupa ce forta exterioara este indepartata.

Tranzistoarele bipolare cu jonctiune, cele cu efect de camp si cele cu efect de camp cu poarta izolata sunt toate dispozitive fara histereza. Acest lucru inseamna ca ele nu se "agata" intr-o anumita stare dupa ce aplicarea tensiunii sau a curentului exterior inceteaza. Oricare ar fi semnalul de intrare al acestor dispozitive intr-un anumit moment, acestea vor prezenta un raspuns de iesire previzibil, asa cum este el definit de curbele lor caracteristice. Dispozitivele multijonctiune, pe de alta parte, sunt dispozitive semiconductoare ce tind sa ramana pornite odata ce au fost pornite si invers, oprite odata ce au fost oprite. O actiune momentana poate duce la trecerea dispozitivelor dintr-o stare in alta, stare in care vor ramane si dupa ce actiunea externa inceteaza. Prin urmare, aceste dispozitive sunt folositoare doar ca si intrerupatoare si nu pot fi folosite pe post de amplificatoare.

Dispozitivele multijonctiune sunt construite folosind aceeasi tehnologie precum a tranzistoarelor bipolare, si pot fi de fapt analizate ca si circuite compuse din perechi de tranzistoare. Cum poate atunci un dispozitiv cu histereza sa fie construit din dispozitive ce nu prezinta aceasta proprietate? Raspunsul este de data de reactia pozitiva. Acesta reactie tinde sa satureze dispozitivul.