Circuitos amplificadores compreensivos

Em geral, um amplificador pode ser definido como um circuito projetado para acionar um sinal de entrada de baixa potência aplicado a um sinal de saída de alta potência, com base na classificação de componente especificada.

Embora a função básica permaneça a mesma, os amplificadores podem ser classificados em diferentes categorias com base em seu design e configurações.

Circuitos para amplificar entradas lógicas

Você pode encontrar amplificadores de transistor exclusivos, configurados para operar e amplificar a lógica de baixo sinal de dispositivos de detecção de entrada como LDRs, fotodiodos e dispositivos de infravermelho. A saída desses amplificadores é usada para ligar um flip flop ou um relé / OFF em resposta aos sinais dos dispositivos sensores.

Você também pode ver pequenos amplificadores usados ​​para pré-amplificar uma entrada de música ou áudio ou para operar uma lâmpada LED.
Todos esses pequenos amplificadores são classificados como pequenos amplificadores de sinal.

Tipos de amplificadores

Principalmente, os circuitos do amplificador são incorporados para amplificar uma frequência de música, de modo que a pequena entrada de música alimentada seja amplificada em várias dobras, geralmente de 100 a 1000 vezes e reproduzida por um alto-falante.

Dependendo de sua potência ou potência, esses circuitos podem ter projetos que variam de pequenos amplificadores de sinal baseados em pequenos amplificadores a grandes amplificadores de sinal, também chamados de amplificadores de potência. Esses amplificadores são tecnicamente classificados com base em seus princípios operacionais, estágios do circuito e como eles podem ser configurados para processar a função de amplificação.

A tabela a seguir fornece os detalhes de classificação dos amplificadores com base em suas especificações técnicas e princípio de operação:

Em um projeto básico de amplificador, descobrimos que ele inclui principalmente alguns estágios que possuem transistor bipolar ou redes BJT, transistores de efeito de campo (FETs) ou amplificadores operacionais.

Pode-se observar que esses blocos ou módulos amplificadores têm um par de terminais para alimentar o sinal de entrada e outro par de terminais na saída para adquirir o sinal amplificado através de um alto-falante conectado.

Um dos terminais desses dois são terminais de terra e pode ser visto como uma linha comum através dos estágios de entrada e saída.

Três propriedades de um amplificador

As três propriedades importantes que um amplificador ideal deve ter são:

• Resistência de entrada (Rin)
• Resistência de saída (rota)
• Ganho (A), que é a faixa de amplificação do amplificador.

Entenda como um amplificador ideal funciona

A diferença no sinal amplificado entre a saída e a entrada é chamada de ganho do amplificador. É a magnitude ou quantidade pela qual o amplificador pode amplificar o sinal de entrada através de seus terminais de saída.

Tomemos, por exemplo, se um amplificador é classificado para processar um sinal de entrada de 1 volt em um sinal amplificado de 50 volts, então diríamos que o amplificador tem um ganho de 50, é tão simples quanto isso.
Essa atualização de um sinal de entrada baixo para um sinal de saída mais alto é chamada ganho de um amplificador Alternativamente, isso pode ser entendido como um aumento no sinal de entrada por um fator de 50.

Relação de ganhoPortanto, o ganho de um amplificador é basicamente a proporção dos valores de entrada e saída dos níveis de sinal, ou simplesmente a potência de saída dividida pela potência de entrada, e é atribuída a letra “A”, que significa também a potência de amplificação do amplificador.

Tipos de ganho de amplificadorOs diferentes tipos de ganho do amplificador podem ser classificados como:

1. Ganho de tensão (Av)
2. Lucro atual (Ai)
3. Ganho de poder (Ap)

Exemplos de fórmulas para calcular ganhos do amplificador Dependendo dos três tipos de ganhos acima, as fórmulas para calculá-los podem ser aprendidas nos seguintes exemplos:

1. Ganho de tensão (Av) = Tensão de saída / Tensão de entrada = Vout / Vin
2. Ganho de corrente (Ai) = Corrente de saída / Corrente de entrada = Iout / Iin
3. Ganho de potência (Ap) = Av.x.Amim

Para calcular o ganho de potência, você também pode usar a fórmula:
Ganho de potência (Ap) = Potência de saída / Potência de entrada = Aout / Ain

Seria importante notar que o índice subscrito p, v, i Eles são usados ​​para calcular a potência e são atribuídos para identificar o tipo específico de ganho de sinal que está sendo trabalhado.

Expressando decibéis

Você encontrará outro método para expressar o ganho de potência de um amplificador, que está em decibéis ou (dB).
A medida ou quantidade Bel (B) é uma unidade logarítmica (Base 10) que não possui uma unidade de medida.
No entanto, um Decibel pode ser uma unidade muito grande para uso prático; portanto, usamos a versão de decibéis reduzidos (dB) para cálculos de amplificador.
Aqui estão algumas fórmulas que podem ser usadas para medir o ganho do amplificador em decibéis:

1. Ganho de tensão em dB: av = 20 * log (Av)
2. Ganho atual em dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Ganho de potência em dB: ap = 10 * log (Ap)

Alguns fatos sobre a medição dB
Seria importante notar que o ganho de potência DC do amplificador é 10 vezes o registro comum de sua relação de saída / entrada, enquanto os ganhos de corrente e tensão são 20 vezes o registro comum de suas relações.

Isso implica que, por se tratar de uma escala logarítmica, um ganho de 20 dB não pode ser considerado duas vezes 10 dB, devido à característica de medição não linear das escalas logarítmicas.

Quando o ganho é medido em dB, valores positivos significam o ganho do amplificador, enquanto um valor negativo de dB indica perda de ganho do amplificador.

Por exemplo, se um ganho de + 3dB for identificado, isso indica um ganho de 2 vezes ou x2 da saída específica do amplificador.

Por outro lado, se o resultado for -3dB, indica que o amplificador tem uma perda de 50% de ganho ou uma medida de x0,5 de perda em seu ganho. Isso também é conhecido como meio ponto de energia, o que significa -3dB abaixo da potência máxima alcançável, em relação a 0dB, que é a saída máxima possível do amplificador

Cálculo de amplificadores

Calcule a tensão, a corrente e o ganho de potência de um amplificador com as seguintes especificações: Sinal de entrada = 10mV a 1mA Sinal de saída = 1V a 10mA. Descubra ainda o ganho do amplificador usando valores de decibéis (dB).

Solução:

Aplicando as fórmulas aprendidas acima, podemos avaliar os diferentes tipos de ganhos associados ao amplificador com base nas especificações de entrada e saída disponíveis:

Ganho de tensão (Av) = Tensão de saída / Tensão de entrada = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Ganho de corrente (Ai) = Corrente de saída / Corrente de entrada = Iout / Iin = 10/1 = 10
Ganho de potência (Ap) = Av. X Amim = 100 x 10 = 1000

Para obter os resultados em decibéis, aplicamos as fórmulas correspondentes, conforme indicado abaixo:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Subdivisões de amp

Pequenos reforços de sinal: Em relação às especificações de ganho de potência e tensão de um amplificador, podemos subdividi-las em duas categorias diferentes.

O primeiro tipo é chamado de amplificador de sinal pequeno. Esses pequenos amplificadores de sinal geralmente são usados ​​em estágios de pré-amplificador, amplificadores de instrumentação etc.

Esses tipos de amplificadores são criados para lidar com os níveis mínimos de sinal em suas entradas, dentro do intervalo de alguns microvolts, como dispositivos sensores ou pequenas entradas de sinal de áudio.

Amplificadores de sinal grandes: O segundo tipo de amplificadores é chamado de amplificador de sinal grande e, como o nome indica, é usado em aplicações de amplificador de potência para atingir grandes faixas de amplificação. Nesses amplificadores, o sinal de entrada é de uma magnitude relativamente maior, portanto eles podem ser substancialmente amplificados para reproduzir e levar a falantes poderosos.

Como funcionam os amplificadores de potência

Como pequenos amplificadores de sinal são projetados para processar pequenas tensões de entrada, eles são chamados de pequenos amplificadores de sinal. No entanto, quando um amplificador é necessário para trabalhar com aplicações de alta corrente de comutação em suas saídas, como operar um motor ou operar subwoofers, um amplificador de potência se torna inevitável.

O mais popular é que os amplificadores de potência são usados ​​como amplificadores de áudio para controlar alto-falantes grandes e obter amplificações enormes de nível de música e saídas de volume.

O amplificador de potência requer energia CC externa para sua operação, e essa energia CC é usada para obter a amplificação de alta potência esperada em sua saída. A energia CC geralmente é derivada de fontes de alimentação de alta tensão e alta corrente através de transformadores ou unidades baseados em SMPS.

Embora os amplificadores de potência possam aumentar o sinal de entrada mais baixo em sinais de alta saída, o procedimento não é realmente muito eficiente. Isso ocorre porque uma quantidade substancial de energia DC na forma de dissipação de calor é desperdiçada no processo.

Sabemos que um amplificador ideal produziria uma saída quase igual à energia consumida, resultando em 100% de eficiência. No entanto, isso praticamente parece bastante remoto e pode não ser viável, devido às perdas de energia CC inerentes aos dispositivos de energia na forma de calor.

Eficiência do amplificadorPelas considerações acima, podemos expressar a eficiência de um amplificador como:

Eficiência = Potência de saída do amplificador / Consumo de DC do amplificador = Faneca / Pin

Amplificador Ideal

Com referência à discussão acima, podemos descrever as principais características de um amplificador ideal. Eles são especificamente conforme explicado abaixo:

O ganho (A) de um amplificador ideal deve ser constante, independentemente de um sinal de entrada variável.

1. O ganho permanece constante, independentemente da frequência do sinal de entrada, permitindo que a amplificação de saída não seja afetada.
2. A saída do amplificador é livre de qualquer tipo de ruído durante o processo de amplificação; pelo contrário, incorpora uma função de redução de ruído que cancela qualquer ruído possível introduzido através da fonte de entrada.
3. Não é afetado por mudanças na temperatura ambiente ou na temperatura atmosférica.
4. O uso prolongado tem pouco ou nenhum efeito no desempenho do amplificador e permanece constante.

Classificação eletrônica do amplificador

Seja um amplificador de tensão ou de potência, eles são classificados de acordo com suas características de sinal de entrada e saída. Isso é feito analisando o fluxo de corrente em relação ao sinal do sinal de entrada e o tempo necessário para atingir a saída.

Dependendo da configuração do circuito, os amplificadores de potência podem ser classificados em ordem alfabética. Diferentes classes operacionais são atribuídas a eles, como:

Uma aula”
Classe B ”
Classe C ”
Classe “AB” e assim por diante.

Eles podem ter propriedades que variam de uma resposta de saída quase linear, mas bastante baixa, a uma resposta de saída não linear com alta eficiência.

Nenhuma dessas classes de amplificadores pode ser distinguida como mais ruim ou melhor que a outra, pois cada uma possui sua própria área de aplicação específica, conforme necessário.

Você pode encontrar ótimas eficiências de conversão para cada uma delas e sua popularidade pode ser identificada na seguinte ordem:

Amplificadores de classe “A”: a eficiência é menor, geralmente inferior a 40%, mas pode mostrar uma saída de sinal linear aprimorada.

Amplificadores da classe “B”: A taxa de eficiência pode ser o dobro da classe A, praticamente em torno de 70%, devido ao fato de que apenas os dispositivos ativos do amplificador consomem energia, causando apenas 50% do uso de Energia.

Amplificadores da classe “AB”: Os amplificadores desta categoria têm um nível de eficiência entre a classe A e a classe B, mas a reprodução do sinal é pior em comparação à classe A.

Amplificadores da classe “C”: são considerados excepcionalmente eficientes em termos de consumo de energia, mas a reprodução do sinal é pior com muita distorção, causando uma replicação muito baixa das características do sinal de entrada.

Como funcionam os amplificadores de classe A:

Os amplificadores classe A possuem transistores polarizados idealmente na região ativa, possibilitando que o sinal de entrada seja amplificado com precisão na saída.

Devido a essa característica de polarização perfeita, nunca é permitido que os transistores se movam para suas regiões de saturação ou saturação, fazendo com que a amplificação do sinal seja adequadamente otimizada e centralizada entre as restrições de sinal superior e inferior especificadas, como é mostrado a seguir. imagem:

Na configuração de Classe A, conjuntos idênticos de transistores são aplicados a duas metades da forma de onda de saída. E, dependendo do tipo de polarização que você emprega, os transistores de potência de saída são sempre representados na posição ON, independentemente de o sinal de entrada ser aplicado ou não.

Por esse motivo, os amplificadores de classe A obtêm uma eficiência extremamente baixa em termos de consumo de energia, pois a entrega real de energia à saída é dificultada devido ao excesso de desperdício devido à dissipação do dispositivo.

Com a situação explicada acima, pode-se observar que os amplificadores de classe sempre têm transistores de potência de saída superaquecidos, mesmo na ausência de um sinal de entrada.

Mesmo se não houver sinal de entrada, é permitido que o DC (Ic) da fonte de alimentação flua através dos transistores de potência, o que pode ser igual à corrente que flui pelo alto-falante quando o sinal de entrada estava presente . Isso resulta em transistores contínuos “quentes” e desperdício de energia.

Operação do amplificador classe B

Diferente da configuração do amplificador Classe A, que depende de transistores de potência única, a Classe B usa um par de BJTs complementares em cada meia seção do circuito. Estes podem estar na forma de NPN / PNP ou mosfet de canal N / mosfet de canal P).

Aqui, um dos transistores pode acionar em resposta ao ciclo de meia onda do sinal de entrada, enquanto o outro transistor aciona a outra meia onda da forma de onda.

Isso garante que cada transistor no par conduza metade do tempo na região ativa e metade do tempo na região de corte, permitindo assim apenas uma participação de 50% na amplificação do sinal.

Diferentemente dos amplificadores de classe A, nos amplificadores de classe B, os transistores de potência não são polarizados com uma CC direta; em vez disso, a configuração garante que eles operem apenas enquanto o sinal de entrada aumentar mais que a tensão de base do emissor , que pode ser em torno de 0,6V para o silicone BJT.

Isso implica que, quando não há sinal de entrada, os BJTs permanecem desligados e a corrente de saída é zero. E por isso, apenas 50% do sinal de entrada pode entrar na saída em qualquer caso, permitindo uma taxa de eficiência muito melhor para esses amplificadores. O resultado pode ser visto no diagrama a seguir:

Como não há envolvimento DC direto para polarizar transistores de potência nos amplificadores classe B, para iniciar a condução em resposta a cada metade da forma de onda +/- ciclos, torna-se uma obrigação para sua base / emissor Vbe adquirir um potencial maior que 0,6V (valor de viés de base padrão para BJT)

Devido ao fato acima, isso implica que, embora a forma de onda de saída esteja abaixo da marca de 0,6V, ela não pode ser amplificada ou reproduzida.

Isso resulta em uma região distorcida para a forma de onda de saída, exatamente durante o período em que um dos BJTs é desligado e aguarda o outro BJT ligar novamente.

Isso resulta em uma pequena seção da forma de onda sofrendo uma distorção menor durante o período de cruzamento ou o período de transição próximo ao cruzamento zero, exatamente quando a mudança de um transistor para outro ocorre através de pares complementares .

Operação do amplificador classe AB

O amplificador da classe AB é construído usando uma combinação de características f dos projetos de circuitos da classe A e da classe B, daí o nome da classe AB.

Embora o projeto da Classe AB também funcione com um par de BJTs complementares, o estágio de saída garante que a polarização dos BJTs de potência seja controlada perto do limite de corte, na ausência de um sinal de entrada.

Nessa situação, assim que um sinal de entrada é detectado, os transistores param de funcionar normalmente em sua região ativa, inibindo qualquer possibilidade de distorção cruzada, normalmente prevalecente nas configurações da Classe B. No entanto, pode haver uma pequena quantidade de corrente do coletor nos BJTs, a quantidade pode ser considerada insignificante em comparação com os projetos de classe A.

O tipo de amplificador da classe AB exibe uma taxa de eficiência e resposta linear muito melhores em comparação com o equivalente da classe A.

Forma de onda de saída do amplificador classe AB

A classe do amplificador é um parâmetro importante que depende de como os transistores são desviados através da amplitude do sinal de entrada, para implementar o processo de amplificação.

Baseia-se na quantidade da magnitude da forma de onda do sinal de entrada usada para os transistores acionarem, e também no fator de eficiência, que é determinado pela quantidade de energia realmente usada para fornecer a saída e / ou ou desperdiçado pela dissipação.

Com relação a esses fatores, podemos finalmente criar um relatório de comparação que mostre as diferenças entre as várias classes de amplificadores, conforme mostrado na tabela a seguir.

Em seguida, podemos fazer uma comparação entre os tipos mais comuns de classificações de amplificador na tabela abaixo.

Classes de amplificador de potência

Pensamentos finais

Se um amplificador não for projetado corretamente, como um projeto de amplificador de Classe A, poderá ser necessário um dissipador de calor substancial nos dispositivos de energia, além de ventiladores para operações. Tais projetos também exigirão maiores entradas de fonte de alimentação para compensar as enormes quantidades de energia desperdiçadas no calor. Todas essas desvantagens podem tornar esses amplificadores altamente ineficientes, o que por sua vez pode causar deterioração gradual dos dispositivos e, eventualmente, falha.

Portanto, pode ser aconselhável optar por um amplificador de Classe B projetado com uma eficiência mais alta de cerca de 70% em comparação com 40% de um amplificador de Classe A. Dito isto, o amplificador de Classe A pode prometer mais resposta. linear com sua amplificação e resposta de freqüência mais ampla, embora isso acarrete um preço substancial de desperdício de energia.

FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

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