Transcript

AMPLIFICATOR DE TENSIUNE CU REACIENEGATIV

CUPRINS

1.1 Generalitti ...................................................................................................................... 31.2 Clasificarea amplificatoarelor .................................................................................. 3-42 .AMPL4FICATOR CU REACTIE NEGATIV...............................................................4 2.1 Schema bloc a amplificatorului cu reactie negativa ......................................4-72.2 Efectul reactiei negative asupra distorsiunilor de neliniaritate ............... 7-82.3 Efectul reatiei negative asupra benzii de frecvente ........................................ 8-102.4 Influenta reactiei negative de tensiune asupra impedantelor de intrare si iesire .....10-123.PROIECTAREA AMPLIFICATORULUI ................................ 133.1 Alegerea schemei pentru amplificator ................................................................13-14 3.2 Calcule efective ...............................................................................................................14-20 3.3 Schema de lucru n SCHEMATICS ...........................................................................20-233.4 Schema n CAPTURE .....................................................................................................233.5 Realizarea cablajului n LAYOUT .............................................................................24-25BIBLIOGRAFIE.............................................. .........................................................................25

1.1 GeneralittiPrin amplificare ntelegem procesul de marire a valorilor instantanee ale unei puteri sau ale altei marimi, fara a modifica modul de variatie a marimii n timp si folosind energia unor surse de alimentare.Amplificatorul este un circuit (bloc functional) care realizeaza cresterea puterii semnalului, pastrnd informatia din semnalul original. Cresterea puterii semnalului se face pe seama energiei absorbite de la sursa de alimentare. n general, la amplificarea unui semnal se doreste ca acesta sa nu se modifice ca si forma, de unde rezulta ca amplificatorul trebuie sa lucreze liniar. Semnalele de intrare si de iesire pot fi curen.i sau tensiuni n funct.ie de intrarea si de iesirea circuitului. Un amplificator poate fi format din unul sau mai multe etaje de amplificare conectate n serie, astfel nct amplificarea totala este, n general, produsul amplificrilor fiecrui etaj.Cea mai simpla relatie care poate caracteriza un amplificator este urmatoarea:unde:x(t) este vectorul marimilor de intrare;y(t) vectorul marimilor de iesire;A amplificarea.

1.2 Clasificarea amplificatoarelor

Un amplificator const din unul sau mai multe etaje de amplificare. Ele se pot clasifica dup urmatoarele criterii: Dupa natura semnalului ce preponderenta amplificat, se ntlnesc:- amplificatoare de tensiune- amplificatoare de curent- amplificatoare de puterePrimele dou categorii au la intrare semnale electrice de amplitudini relativ mici, fiind numite de semnal mic. Cea de-a treia categorie de amplificatoare trebuie s furnizeze la ieire puteri mari (cel puin de ordinul wailor), cu un randament acceptabil; ele lucreaz aproape de posibilitile lor maxime n privina puterii disipate, a curenilor i a tensiunilor de aceea se numesc amplificatoare de semnal mare. Dup tipul elementelor active folosite se ntlnesc:- amplificatoare cu tuburi electronice- amplificatoare cu semiconductoare- amplificatoare cu circuite integrate (operaionale)- amplificatoare magnetice Dupa gama de frecvente:- amplificatoare de audiofrecventa 20Hz-20kHz- amplificatoare de videofrecventa 100kHz- amplificatoare de radiofrecventa 700MHz- amplificatoare de microunde 70GHz- amplificatoare selective (amplifica semnalele dintr-o banda ingusta); Dupa latimea benzii de frecventa amplificata, se intalnesc:- amplificatoare de banda ingusta (9.20 kHz)- amplificatoare de banda larga (amplificatoare de videofrecventa), avand o gama de frecvente amplificate cuprinse intre cativa hertzi (teoretic 0 Hz) si 5 MHz (teoretic 6 MHz). Dupa tipul cuplajului folosit intre etaje, se pot intalni:- amplificatoare cu cuplaj RC;- amplificatoare cu circuite acordate- amplificatoare cu cuplaj prin transformator- amplificatoare cu cuplaj rezistiv (numite si amplificatoare cu cuplaj galvanic sau de curentcontinuu).

2.Amplificator cu reacie negative2.1 Schema bloc a amplificatorului cu reacie negativn electronic, prin reacie se nelege aducerea unei fraciuni din semnalul de ieire (Xies) la intrarea amplificatorului. Aceast fraciune, care se numete semnal de reacie (Xr), se nsumeaz (vectorial sau fazorial) cu semnalul furnizat de sursa de semnal (Xs), iar rezultanta lor va constitui semnalul de intrare n amplificator (Xin). Pentru a obine semnalul de reacie, semnalul de ieire se aplic la intrarea unui circuit alctuit din elemente de circuit passive (rezistori, condensatori, bobine), circuit care se numete reea de reacie. Reeaua de reacie pe de o parte divizeaz semnalul de ieire i, pe de alta, introduce un defazaj al semnalului de reactive fa de semnalul de ieire. Sublinierea semnalelor ne arat c acestea sunt mrimi complexe, caracterizate prin amplitudine, frecven i faz. Schema bloc a unui amplificator cu reacie este prezentat n fig. 1 .n ea am notat cu A i modulul factorului de amplificare al amplificatorului fr reacie, respectiv modulul factorului de transfer al reelei de reacie iar cu A i B defazajul introdus de amplificator, respectiv defazajul introdus de reeaua de reacie. Fig. 1 Schema bloc a unui amplificator cu reacie negative.Cu aceste notaii, ntre semnalele din circuit se pot scrie urmtoarele relaii:

Cu ajutorul acestor relaii, factorul cu care semnalul furnizat de sursa de semnal esteamplificat de ctre amplificatorul cu reacie va fi:

Produsul complex dintre factorul de amplificare al amplificatorului si factorul de reactiepoate fi scris sub forma:

n care reprezint suma defazajelor introduse de amplificator i reeaua de reacie. Astfel, modulul factorului de amplificare n prezena reaciei va fi:

Aceast relaie poate fi discutat n funcie de valoarea lui . Vom considera dou cazuride referin: dac = (2k+1), cos = -1 i semnalul de reacie este n antifaz cu semnalul furnizat de sursa de semnal. Reacia se numete reacie negativ i factorul de amplificare va avea expresia:

Se poate observa c n prezena reaciei negative factorul de amplificare este mai mic dect n absenta ei:

dac = 2k, cos =1 i semnalul de reacie este n faz cu semnalul furnizat de sursa de semnal. Reacia se numete reacie pozitiv i factorul de amplificare va avea expresia:

Din aceast relaie rezult c factorul de amplificare n prezena reaciei pozitive este mai mare dect n absena ei:

Din relaia de mai sus se observ pentru reacie negativ c amplificarea real a amplificatorului scade fa de cea de baz n funcie de factorul de reacie. n cazul extremcnd A >>1 factorul de amplificare devine A=1/ .Aceasta este cea mai importanta ecuaie, ntruct am obinut un amplificator cu o amplificare precis determinat. Atta timp ct amplificarea n bucl deschis Ao este mai mare (ex. de sute de ori mai mare) dect amplificarea n bucl nchis A, aceasta (amplificarea n bucl nchis A) va fi independent de caracteristicile amplificatorului i va depinde doar de "b". Aceast fracie de reacie b (notat i f = factor de reacie; f> fjrAm vzut pn acum c reacia negativ are dou aciuni complementare: micorarea factorului de amplificare i lrgirea benzii de frecvene. S vedem ce obinem dac facem produsul acestora:

Dar, produsul Auofi reprezint chiar produsul amplificare x banda de frecvene n absena reaciei negative. Aadar:

adic, produsul amplificare x banda de frecvene rmne constant. Sau, altfel spus, banda de frecvene poate fi lrgit pe seama micorrii factorului de amplificare sau, un factor de amplificare foarte mare poate fi obinut numai n interiorul unei benzi nguste de frecvene.

2.4 Influena reaciei negative de tensiune asupra impedanelor de intrare i ieire

Amplificatorul de tensiune poate fi reprezentat ca un cuadripol care, pentru sursa de semnal, se comport ca o impedan (impedana de intrare a cuadripolului) iar pentru sarcin se comport ca o surs real de tensiune. Reeaua de reacie fiind pasiv, se comport ca un cuadripol pasiv cu o impedan de intrare (Z1) i una de ieire (Z2). Fig3 Schema bloc a unui amplificator cu reacie negativ n tensiune.Schema bloc a unui amplificator cu reacie negativ n tensiune este prezentat n fig. 3. Pentru ca amplificatorul s lucreze n condiii optime este necesar ca energia consumat de ctre reeaua de reacie s fie ct mai mic. De aceea, impedana de intrare a reelei de reacie trebuie s fie ct mai mare (Z1 >> Zsarc) i impedana de ieire ct mai mic (Z2 (dar deoarece in practica exista rezistenta de120 o vom alege pe aceasta cea din urma)

Pasul 4: Pentru VBE independent de temperetur se verific IC folosind relatiile:

Dac variaiile lui IC n jurul valorii impuse este prea mare, atunci se revine la paii 1 i 2, alegndu-se VRE mai mare i/sau un factor K mai mare. Dac se va ine cont de variaiile lui VBE, ct si de cele ale lui F, pentru determinarea circuitului de polarizare se folosesc relaiile de mai sus pe care le rescriem astfel:

Cum valorile lui IC,min si IC,max sunt aproapiate de valorea pe care am impus-o lui Ic rezulta ca am procedat corect. Pasul 5 Determinarea rezistentei de colector (R3) Rezistena de colector RC se determin aplicand Kirchhoff in ochiul de circuit si impunnd valoarea lui VCE =6VVCC=(R3+R4)IC+VCEunde pentru IC se poate utiliza valoarea nominal (impus).

Deoarece am ales doua tranzistoare din aceeasi clasa (BC107A) care au valoarea PSF apropiata,rezulta ca si al doilea transistor pentru a avea o polarizare corecta trebuie sa respecte aceleasi conditii ,deci valorile rezistentelor vor fi aceleasi.Deoarece reactia negativa se aplica intre emitorul primului tranzistor si colectorul celui de-al doilea tranzistor rezistenta emitorului din primul tranzistoi va fi impartita in 2 rezistente a caror suma va da valoarea rezistentei R4; Deci rezistentele din emitorul primului transistor vor avea valorile R4=200 si R5=800;Prin urmare valorile rezistentelor care realizeaza polarizarea tranzistorului sunt:

Acum putem spune ca am terminat sinteza PSF ului . In continuare ne ramane sa determinam rezistenta care intra in reactia negative.Din cerintele de proiectare stim ca amplificarea trebuie sa fie de 40 .

Doarece rezistenta de reactie are un rol important in stabilirea amplificarii am,pus un semireglabil de 10k pentru a observa cum se modifica amplificarea atunci cand se modifica si rezistenta.In continuare vom determina factorul de reactive care ne va fi de folos atunci cand vom calcula rezistenta de iesire si rezistenta de intrare. Acesta se noteaza cu f si se determina din relatia: Pentru a putea calcula rezistentele de intrare si de iesire avem nevoie sa stim cat este amplificarea a drept pt care trebuie sa calculam rezistentele Rx,Rz,Ry,RL

av*f = 0.025*564=14>1

In cerintele de proiectare se cerea o rezistenta de iesire mai mica de 100 lucru aproape reusit in urma proiectarii:

in cerintele de proiectare se cerea orezistenta de intrare mai mare de 10 k lucru ralizat .Condensatorul de intrare (C1), de ieire(C5) i cel de decuplare dintre etaje(C2) trebuiealese altfel inct la frecvena minim a semnalului reactanele lor sa fie mult mai mici dectrezistena serie de pe care se culege semnalul. Celelalte condensatoare trebuie sa scurtcircuitezerezistenele pentru componenta de curent alternativ.

Determinarea valorilor condensatoarelor se face pentru o anumit frecven pe care oalegem n functie de cerinele care trebuiesc ndeplinite. Pentru calcularea valorilorcondensatoarelor de la intrare i de la ieire alegem frecvenele dominante, adic frecvenele caredetermin banda cerut. Pentru calculul celorlalte condensatoare folosim frecvene mai micidect frecvenele dominante.Pentru a obtine frecventa de 20kHz am folosit un filtru trece jos.Calculul condensatoarelor de intrare si de iesire (cele care determina banda de frecvente a amplificatorului);

unde am notat cu f1 frecventa inferioara a amplificatorului f1=20Hz unde am notat cu f2 frecventa limita superioara a amplificatorului f2=20kHz

3.3 Schema de lucru n SCHEMATICSDup efectuarea calculelor pentru componentele folosite i ndeplinirea cerin.elor de proiectare impuse am realizat schema n programul Orcad Schematics pentru a verifica corectitudinea calculelor i pentru a efectua simulri n vederea func.ionrii circuitului.In Schematics am folosit trei tipuri de analiza:-Baias Point Detail pentru vizualizarea curentilor si tensiuni sin circuit- Transient - pentru vizualizarea amplificarii semnalului-AC Sweep - pentru a determina banda de frecventa a semnalului;

Schema circuituluin urma realizrii schemei n Schematics, dupa ce am alimentat circuitul la VCC=10V si am generat un semnal avnd frecvena de 1kHz i amplitudinea de 1mV, putem vizualiza, n urma unei analize de tip Bias Point Detail, valorile tensiunilor si a curenilor prin circuit.

Schema cu valorile tensiunilor Schema cu valorile curentilorDup efectuarea simulrii n domeniul Transient rezult figura tensiunilor Se observa c prin determinarea, cu ajutorul cursorului, a amplitudinii semnalului de la ietirea amplificatorului este ndeplinit cerin.a n ceea ce privete amplificarea(adic o amplificare de 40, .innd cont de faptul c, cu ajutorul cursorului amplitudinea semnalului este determinat vrf-la-vrf). In ceea ce priveste banda de frecven., analiza schemei se face n domeniul AC Sweep.n figura curentilor este determinat frecvena minima a amplificatorului. Frecvena minim se determina prin cutarea,cu ajutorul cursorului, pe frontul crector al curbei a valorii obinut prin nmulirea valorii amplitudinii semnalului de la ieire cu 0,707. n figura curentilor este determinat frecvena maxim a amplificatorului. La fel ca n cazul precedent, se caut valoarea obinut prin nmulirea valorii amplitudinii semnalului de la ieire cu 0,707, doar c de aceast dat aceast valoare este cutat pe frontul descresctor, rezultnd astfel frecvena maxima

3.4 Schema n CAPTUREAvnd n vedere ndeplinirea cerin.elor de proiectare si a rezultatelor ob.inute n simulare, urmtoarea etap este reprezentat de realizarea schemei n Orcad Capture, schem ce va servi la implementarea cablajului n Orcad Layout.

3.5 Realizarea cablajului n LAYOUTPentru implementarea cablajului cu ajutorul programului Layout am urmat urmtorii pai:1. Lansare Layout2. Crearea proiectului cablajului imprimat (Layout)2.1. Pregatire2.1.1. Alegerea unui proiect de tehnologie (*.TCH) sau cablaj (*.TPL)2.1.2. Chemarea unui fisier netlist (*.MNL)2.1.3. Propunerea unui nume pentru proiect cablaj(*.MAX)2.2. Desenul conturului circuitului imprimat2.3. Plasarea componentelor2.4. Plasarea componentelor suplimentare2.5. Rutaj manual2.6. Rutaj automat2.7. Plasarea planului de masa2.8. Plasare text2.9. Salvare3. Imprimare schema cablaj4. Imprimarea fetelor utile pentru realizare cablajDup executarea corect a pasilor men.iona.i mai sus, se obtine cablajul. Bibliografie 1. Cursul de Dispozitive i Circuite Electronice; 2. Prahoveanu,Iosif; Jipa, Doru; Simion, tefan Dispozitive i circuite electronice, Partea a II-a, Editura Academiei Tehnice Militare, Bucureti, 2000; 3. Costea, I.; Dasclu, D.; Profirescu, M.; Rusu, A. Dispozitive i circuite electronice, Editura Didactic i pedagogic, Bucureti, 1982.

1