Generalitat de Catalunya Departament d’Ensenyament Institut Obert de Catalunya

CFGM Instal·lacions Elèctriques i Automàtiques Mòdul 09 - Electrònica

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.

Codi: I82

Tutoria disseny amplifcador transistor classe A Versió: 00

Pàgina 9

Generalitat de Catalunya Departament d’Ensenyament Institut Obert de Catalunya

CFGM Instal·lacions Elèctriques i Automàtiques Mòdul 09 - Electrònica

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.

Codi: I82

Tutoria disseny amplifcador transistor classe A Versió: 00

Pàgina 9

Generalitat de Catalunya Departament d’Ensenyament Institut Obert de Catalunya

CFGM Instal·lacions Elèctriques i Automàtiques Mòdul 09 - Electrònica

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

Codi: I82

Tutoria disseny amplifcador transistor classe A Versió: 00

Pàgina 9

Generalitat de Catalunya Departament d’Ensenyament Institut Obert de Catalunya

CFGM Instal·lacions Elèctriques i Automàtiques Mòdul 09 - Electrònica

• 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),  la tensió de tall, (VCETALL ),  la intensitat de saturació, IC

VCE=5,519V, IB=121µA, IC=20mA IC=0, VCETALL = VCE = 15V VCE=0, IC=VCE/RE=15V/470Ω=31,91mA

Punt de saturació

31,91mA Punt de tall

Punt de treball 20mA

VCE 5,519V

15V

Codi: I82

Tutoria disseny amplifcador transistor classe A Versió: 00

Pàgina 9

Generalitat de Catalunya Departament d’Ensenyament Institut Obert de Catalunya

CFGM Instal·lacions Elèctriques i Automàtiques Mòdul 09 - Electrònica

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 Codi: I82

Tutoria disseny amplifcador transistor classe A Versió: 00

Pàgina 9

Generalitat de Catalunya Departament d’Ensenyament Institut Obert de Catalunya

CFGM Instal·lacions Elèctriques i Automàtiques Mòdul 09 - Electrònica

http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/2/N/3/9/2N3904.shtml

Codi: I82

Tutoria disseny amplifcador transistor classe A Versió: 00

Pàgina 9

Generalitat de Catalunya Departament d’Ensenyament Institut Obert de Catalunya

CFGM Instal·lacions Elèctriques i Automàtiques Mòdul 09 - Electrònica

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

Codi: I82

Tutoria disseny amplifcador transistor classe A Versió: 00

Pàgina 9

Generalitat de Catalunya Departament d’Ensenyament Institut Obert de Catalunya

CFGM Instal·lacions Elèctriques i Automàtiques Mòdul 09 - Electrònica

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).

Codi: I82

Tutoria disseny amplifcador transistor classe A Versió: 00

Pàgina 9

Generalitat de Catalunya Departament d’Ensenyament Institut Obert de Catalunya

CFGM Instal·lacions Elèctriques i Automàtiques Mòdul 09 - Electrònica

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).

Codi: I82

Tutoria disseny amplifcador transistor classe A Versió: 00

Pàgina 9