Compreendendo os circuitos amplificadores

Em geral, um amplificador pode ser definido como um circuito projetado para aumentar um sinal de entrada de baixa potência aplicado em um sinal de saída de alta potência, de acordo com a classificação especificada dos componentes.

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

Circuitos para amplificação de entradas lógicas

Você pode ter encontrado amplificadores de transistor único que são configurados para operar e amplificar uma lógica de sinal baixo a partir de dispositivos de detecção de entrada, como LDRs, fotodiodos , Dispositivos IR. A saída desses amplificadores é então usada para comutar um chinelo de dedo ou um relé ON / OFF em resposta aos sinais dos dispositivos sensores.

Você também pode ter visto amplificadores minúsculos que são usados ​​para pré-amplificar uma entrada de música ou áudio, ou para operar uma lâmpada LED.
Todos estes amplificadores pequenos são categorizados como amplificadores de pequenos sinais.

Tipos de amplificadores

Primeiramente, circuitos amplificadores são incorporados para amplificar uma frequência musical de forma que a pequena entrada de música alimentada seja amplificada em muitas dobras, normalmente de 100 a 1000 vezes e reproduzida em um alto-falante.

Dependendo de sua potência ou classificação de potência, tais circuitos podem ter projetos que variam de pequenos amplificadores de sinais pequenos baseados em amplificadores a grandes amplificadores de sinais que também são chamados de amplificadores de potência. Esses amplificadores são classificados tecnicamente com base em seus princípios de funcionamento, estágios de circuito e a maneira como que podem ser configurados para processar a função de amplificação.

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

Em um projeto de amplificador básico, descobrimos que ele inclui principalmente alguns estágios com redes de transistores bipolares ou BJTs, transistores de efeito de campo (FETs) ou amplificadores operacionais.

Tais blocos ou módulos amplificadores podem ser vistos tendo 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 os terminais de aterramento e podem ser vistos como uma linha comum entre os 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.

Compreendendo o funcionamento de um amplificador ideal

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

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.
Este aprimoramento de um sinal de entrada baixo para um sinal de saída superior é chamado de ganho de um amplificador. Alternativamente, isso pode ser entendido como um aumento do sinal de entrada por um fator de 50.

Razão de ganho Assim, o ganho de um amplificador é basicamente a relação entre os valores de saída e entrada dos níveis de sinal, ou simplesmente a potência de saída dividida pela potência de entrada, e é atribuído pela letra 'A' que também significa a potência de amplificação do amplificador.

Tipos de ganhos de amplificador Os diferentes tipos de ganhos do amplificador podem ser classificados como:

1. Ganho de tensão (desligado)
2. Ganho atual (Ai)
3. Ganho de potência (Ap)

Fórmulas de exemplo para calcular os ganhos do amplificador Dependendo dos 3 tipos de ganhos acima, as fórmulas para calculá-los podem ser aprendidas com os 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.A eu

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

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

Expressando decibéis

Você encontrará outro método de expressar o ganho de potência de um amplificador, que é em decibéis ou (dB).
A medida ou a 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 o decibel da versão reduzida (dB) para os cálculos do amplificador.
Aqui estão algumas fórmulas que podem ser empregadas para medir o ganho do amplificador em decibéis:

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

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

Isso implica que, como uma escala logarítmica está envolvida, um ganho de 20dB não pode ser considerado como duas vezes de 10dB, devido à característica de medição não linear das escalas logísticas.

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

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

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

Calculando Amplificadores

Calcule a tensão, a corrente e o ganho de potência de um amplificador com as seguintes especificações: Sinal de entrada = 10mV @ 1mA Sinal de saída = 1V @ 10mA. Descubra adicionalmente 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 de acordo com as especificações de entrada e saída em mãos:

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 A eu = 100 x 10 = 1000

Para obter os resultados em decibéis, aplicamos as fórmulas correspondentes conforme a seguir:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Subdivisões do amplificador

Amplificadores de pequeno sinal: Com relação às especificações de ganho de potência e tensão de um amplificador, é possível subdividi-los em várias categorias.

O primeiro tipo é conhecido como amplificador de pequeno sinal. Esses pequenos amplificadores de sinal são geralmente utilizados em estágios de pré-amplificador, amplificadores de instrumentação, etc.

Esses tipos de amplificadores são criados para lidar com os níveis de sinal de minuto em suas entradas, dentro da faixa de alguns micro volts, como de dispositivos sensores ou pequenas entradas de sinais de áudio.

Amplificadores de sinal grandes: O segundo tipo de amplificadores são chamados de amplificadores de sinais grandes e, como o nome indica, são empregados em aplicações de amplificadores de potência para atingir grandes faixas de amplificação. Nestes amplificadores, o sinal de entrada é relativamente maior em magnitude, de modo que podem ser substancialmente amplificados para reprodução e direcionamento para alto-falantes potentes.

Como funcionam os amplificadores de potência

Uma vez que amplificadores de pequenos sinais são projetados para processar pequenas tensões de entrada, eles são chamados de amplificadores de pequenos sinais. No entanto, quando um amplificador precisa trabalhar com aplicações de alta corrente de comutação em suas saídas, como operar um motor ou operar subwoofers, um amplificador de potência torna-se inevitável.

Mais popularmente, os amplificadores de potência são empregados como amplificadores de áudio para acionar grandes alto-falantes e para alcançar grandes amplificações de nível de música e saídas de volume.

O amplificador de potência requer alimentação DC externa para funcionar, e esta alimentação DC é utilizada para alcançar a amplificação de alta potência pretendida em sua saída. A energia DC é geralmente derivada de fontes de alimentação de alta tensão e alta corrente por meio de transformadores ou unidades baseadas em SMPS.

Embora os amplificadores de potência sejam capazes de aumentar o sinal de entrada inferior em sinais de saída alta, o procedimento não é muito eficiente. Isso ocorre porque, no processo, uma quantidade substancial de energia CC é desperdiçada na forma de dissipação de calor.

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

Eficiência de um amplificador A partir das considerações acima, podemos expressar a eficiência de um amplificador como:

Eficiência = Saída de potência do amplificador / Consumo CC do amplificador = Pout / Pin

Amplificador Ideal

Com referência à discussão acima, pode ser possível para nós delinear sobre as principais características de um amplificador ideal. Eles são especificamente conforme explicado abaixo:

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

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 isenta de qualquer tipo de ruído durante o processo de amplificação, pelo contrário, incorpora uma função de redução de ruído que cancela qualquer possível ruído introduzido através da fonte de entrada.
3. Ele permanece inalterado pelas mudanças na temperatura ambiente ou na temperatura atmosférica.
4. O uso prolongado tem efeito mínimo ou nenhum efeito no desempenho do amplificador e permanece consistente.

Classificação de amplificador eletrônico

Quer seja um amplificador de tensão ou um amplificador de potência, eles são classificados com base em suas características de sinal de entrada e saída. Isso é feito analisando o fluxo de corrente em relação ao sinal de entrada e o tempo necessário para que ele alcance a saída.

Com base na configuração do circuito, os amplificadores de potência podem ser categorizados em ordem alfabética. Eles são atribuídos a diferentes classes operacionais, como:

Classe A'
Classe 'B'
Classe 'C'
Classe 'AB' e assim por diante.

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

Nenhuma dessas classes de amplificadores pode ser distinguida como mais pobre ou melhor do que a outra, uma vez que cada uma tem sua própria área de aplicação específica, dependendo da necessidade.

Você pode encontrar eficiências de conversão ideais para cada um deles, e sua popularidade pode ser identificada na seguinte ordem:

Amplificadores Classe 'A': A eficiência é normalmente inferior a 40%, mas pode mostrar uma saída de sinal linear aprimorada.

Amplificadores 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 da energia.

Amplificadores classe 'AB: amplificadores nesta categoria têm nível de eficiência em algum lugar entre aquele da classe A e classe B, mas a reprodução do sinal é mais pobre em comparação com a classe A.

Amplificadores 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 pobre das características do sinal de entrada.

Como funcionam os amplificadores de classe A:

Os amplificadores de classe A têm transistores polarizados idealmente dentro da região ativa, o que torna possível que o sinal de entrada seja amplificado com precisão na saída.

Devido a esta característica de polarização perfeita, o transistor nunca pode desviar em direção às suas regiões de corte ou sobre saturação, resultando na amplificação do sinal sendo corretamente otimizada e centralizada entre as limitações superior e inferior especificadas do sinal, conforme mostrado a seguir imagem:

Na configuração de classe A, conjuntos idênticos de transistores são aplicados nas duas metades da forma de onda de saída. E dependendo do tipo de polarização que ele emprega, os transistores de potência de saída são sempre renderizados na posição LIGADA, independentemente de o sinal de entrada ser aplicado ou não.

Por causa disso, os amplificadores classe A obtêm uma eficiência extremamente pobre em termos de consumo de energia, uma vez que o fornecimento real de energia para a saída fica prejudicado devido ao excesso de desperdício através da dissipação do dispositivo.

Com a situação explicada acima, os amplificadores de classe podem ser vistos sempre tendo transistores de potência de saída superaquecidos, mesmo na ausência de um sinal de entrada.

Mesmo quando não há sinal de entrada, o DC (Ic) da fonte de alimentação pode fluir pelos transistores de potência, que pode ser igual à corrente que flui pelo alto-falante quando o sinal de entrada está presente. Isso dá origem a transistores 'quentes' contínuos e desperdício de energia.

Operação do amplificador classe B

Em contraste com a configuração do amplificador classe A, que depende de transistores de potência simples, 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 do canal N / canal P-mosfet).

Aqui, um dos transistores pode conduzir em resposta a meio ciclo da forma de onda do sinal de entrada, enquanto o outro transistor lida com a outra metade do ciclo da forma de onda.

Isso garante que cada transistor do par conduza metade do tempo dentro da região ativa e metade do tempo na região de corte, permitindo assim, apenas 50% de envolvimento do sinal na amplificação.

Ao contrário dos amplificadores classe A, nos amplificadores classe B os transistores de potência não são polarizados com uma CC direta, em vez disso, a configuração garante que eles conduzam apenas enquanto o sinal de entrada for mais alto do que a tensão do emissor de base, que pode ser em torno de 0,6 V para BJTs de silício.

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

Uma vez que não há envolvimento direto de DC para polarizar os transistores de potência em amplificadores de classe B, a fim de iniciar a condução em resposta a cada meio +/- ciclos de forma de onda, torna-se imperativo para sua base / emissor Vbe para adquirir um potencial superior a 0,6 V (valor de polarização de base padrão para BJTs)

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

Isso dá origem a uma região distorcida para a forma de onda de saída, apenas durante o período em que um dos BJTs é desligado e espera o outro ligar novamente.

Isso resulta em uma pequena seção da forma de onda sendo submetida a 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 o outro ocorre em pares complementares.

Operação de amplificador classe AB

O amplificador de classe AB é construído usando uma combinação de características de projetos de circuito de classe A e Classe B, daí o nome Classe AB.

Embora o design 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.

Nesta situação, assim que um sinal de entrada é detectado, os transistores começam a operar normalmente em sua região ativa, inibindo assim qualquer possibilidade de distorção cruzada, que é normalmente prevalente em configurações de Classe B. No entanto, pode haver uma pequena quantidade de corrente do coletor conduzindo através dos BJTs, a quantidade pode ser considerada insignificante em comparação com os projetos da Classe A.

O tipo de amplificador Classe AB exibe uma taxa de eficiência muito melhor e uma resposta linear em oposição ao equivalente Classe A.

Forma de onda de saída do amplificador classe AB

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

Ele depende de quanto da magnitude da forma de onda do sinal de entrada é utilizada para os transistores conduzirem, e também do fator de eficiência, que é determinado pela quantidade de energia realmente usada para fornecer a saída e / ou desperdiçada pela dissipação.

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

Então, podemos fazer uma comparação entre os tipos mais comuns de classificações de amplificadores na tabela a seguir.

Classes de amplificadores de potência

Pensamentos finais

Se um amplificador não for projetado corretamente, como por exemplo um projeto de amplificador classe A, pode exigir aquecimento substancial nos dispositivos de energia, juntamente com ventiladores de resfriamento para as operações. Esses projetos também precisarão de entradas de fonte de alimentação maiores para compensar as enormes quantidades de energia desperdiçada no calor. Todas essas desvantagens podem tornar esses amplificadores muito ineficientes, o que por sua vez pode causar uma deterioração gradual dos dispositivos e, eventualmente, falhas.

Portanto, pode ser aconselhável ir para um amplificador de Classe B projetado com maior eficiência de cerca de 70% em oposição a 40% de um amplificador de Classe A. Dito isso, o amplificador Classe A pode prometer uma resposta mais linear com sua amplificação e uma resposta de frequência mais ampla, embora isso acarrete um desperdício de energia substancial.