CIRCUITE ELECTRONICE FUNDAMENTALE Inginerie Electronic i Telecomunicaii, sem. 4 Laureniu Frangu Organizatorice 42 C, 14 S Ore de munc individual 50 Credite 4 Precedene: Teoria circuitelor electrice Examinare: tez (se accept foaie cu formule), tem de cas, participare la seminar Laborator: este disciplin separat Consultaii (joi, 14.00-16.00, vineri 10.00-12.00) Bibliografie [1] D. Dasclu .a. - Dispozitive i circuite electronice, EDP Bucureti, 1982 [2] D. Dasclu .a. - Dispozitive i circuite electronice. Probleme, EDP Bucureti, 1982 [3] L.Frangu Circuite electronice. Culegere de probleme i lucrri de laborator, Ed. Academica, Galai, 2001. [4] D.I. Crecraft, S. Gergely Analog Electronics, Butterworth & Heinemann, Oxford, 2002 Cuprinsul cursului: funciuni i circuite electronice fundamentale 0. Recapitulare noiuni de circuite electrice i de dispozitive electronice. Complemente la cursul de dispozitive electronice (modele de semnal mic) 1. Introducere. Funciuni de prelucrare a semnalului i circuitele electronice asociate 2. Amplificatoare electronice 3. Reacia 4. Oscilatoare 5. Redresoare 6. Stabilizatoare de tensiune 7. Modulatoare i demodulatoare Cunotine anterioare necesare: - Teoria circuitelor electrice (teoremele lui Kirchhoff, teoremele generatoarelor echivalente, rezolvarea circuitelor liniare, descrierea prin parametri de cuadripol, regimul permanent sinusoidal al circuitelor electrice); - Dispozitive electronice (familiile de caracteristici care descriu funcionarea dispozitivelor, modele de semnal mare i de semnal mic, determinarea p.s.f. pentru un circuit simplu, analiza unui etaj de amplificare cu un tranzistor); - Semnale i sisteme (spectrul unui semnal periodic, analiza spectral pentru un semnal neperiodic). 0.1 Teoremele Kirchhoff, teoremele generatorului echivalent de tensiune i de curent, reprezentarea circuitelor liniare prin parametri de cuadripol (a se citi CEF-electrice.pdf) 0.2 Modele de semnal mic, noiunea de semnal mic, model n parametri h (a se citi CEFdispozitive.pdf)

Laureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008

1

1. Introducere. Descrierea funciunilor de prelucrare a semnalelor i circuitele asociateNoiunea de semnal (mrime fizic variabil, purttoare de informaie) Noiunile de semnal analogic (continuu n timp i n valori) i semnal numeric (eantionat, cuantizat i reprezentat n cod numeric, deci discret n timp i n valori). Electronica: tehnologia prelucrrii informaiei coninute de semnale (n primul rnd semnalele electrice, dar i captura altor semnale). Se include aici modificarea parametrilor mrimilor electrice variabile, purttoare de energii mari, la care forma semnalului este n legtur direct cu calitatea energiei furnizate (electronica de putere). 1.1. Funciuni de prelucrare a semnalului Funciuni ale circuitelor electronice: funciuni necesare pentru prelucrarea informaiei purtate de semnale, ca i pentru modificarea parametrilor mrimilor electrice, purttoare de energie. Amplificare = crearea unui semnal (zis de ieire), de putere mai mare dect un semnal provenind din exterior (zis de intrare), dar similar ca form i ca informaie purtat. Circuitul care ndeplinete aceast funciune se numete amplificator. Mrirea puterii semnalului se face pe seama unei surse de energie (contribuie doar la puterea semnalului, nu contribuie n nici un fel la forma sau informaia semnalului). Generare de semnal = producerea unui semnal de ieire de form impus, fr a primi vreun alt semnal din exterior. Cazul cel mai frecvent: semnalul produs este periodic, funciunea ndeplinit este oscilaia electric iar circuitul se numete oscilator. Exist i generatoare de semnal care produc semnale neperiodice (impulsuri). Pentru ele, este necesar un semnal din exterior, care nu contribuie la forma semnalului de ieire, ci stabilete momentul declanrii impulsului. Ca i n cazul amplificatorului, generatorul de semnal (oscilatorul) are nevoie de o surs extern de energie. Generarea semnalului se poate realiza n circuite exclusiv analogice sau n circuite mixte (analogice i numerice). Filtrare = schimbarea componenei spectrale a semnalului, prin eliminarea unor componente din spectrul semnalului de intrare. Circuitul care ndeplinete funciunea de filtrare se numete filtru. Exist filtre care nu folosesc o surs de energie extern (filtre pasive) i filtre care au n componena lor amplificatoare, deci folosesc surse externe de energie (filtre active). Acestea din urm exist att n varianta analogic (prelucreaz semnal analogic) ct i numeric (prelucreaz semnal numeric). Noiunea de filtru este foarte general, se poate aplica multor categorii de circuite. Aici este subneleas intenia de a realiza exclusiv modificarea spectrului. Redresare = producerea unui semnal de ieire care s aib mereu o singur polaritate, pe baza variaiei n timp a unui semnal de intrare, chiar dac acesta are polaritate variabil. Circuitul care ndeplinete aceast funciune se numete redresor. Redresarea poate fi folosit n scop informaional sau n scop energetic. n cazul n care energia semnalului este esenial (electronica de putere), redresorul este un caz particular al circuitelor numite convertoare (statice) de energie electric. Mai fac parte din aceeai categorie invertoarele, variatoarele de c.c. i variatoarele de c.a.. Semnalele vehiculate n circuitele de conversie a energiei snt numai analogice (chiar dac comanda circuitelor poate fi i numeric). Stabilizare a unei mrimi electrice = meninerea constant a valorii unei mrimi electrice (n sensul de meninerea ct mai aproape de acea valoare constant), chiar i atunci cnd asupra ei acioneazLaureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008 2

factori perturbatori. Circuitul care ndeplinete acea funciune se numete stabilizator. Ca i n cazul precedent, funciunea se poate aplica n scop informaional (utilizarea unei mrimi ca referin pentru altele) sau n scop energetic (calitatea energiei de alimentare a circuitelor electronice). Cel mai frecvent ntlnit este stabilizatorul de tensiune (pentru alimentarea circuitelor electronice la tensiune constant), dar se folosesc i stabilizatoare de curent (surse de curent constant). Stabilizarea unei mrimi este caz particular al funciunii de reglare automat (vezi cursul de sisteme automate). Alte funciuni: reglare n regim de urmrire, protecie, optimizare etc. Ca i n cazul convertoarelor de putere, semnalele din partea de putere a stabilizatorului snt numai analogice (comanda poate fi i numeric). Modulare, demodulare = funciuni asociate cu modificarea formei semnalului, astfel nct informaia lui s poat fi transmis prin circuite sau medii care nu permit transmiterea n forma iniial. Modularea const n combinarea semnalului iniial (zis semnal modulator) cu un alt semnal (zis semnal purttor), care este transmisibil prin mediul de comunicaie. Demodularea const n recuperarea informaiei din semnalul modulat, cel mai adesea sub forma unui semnal asemntor cu cel modulator. Circuitele care ndeplinesc aceste funciuni se numesc modulator, respectiv demodulator. Semnalul purttor este analogic, indiferent de natura celui modulator. Calcul analogic = const n efectuarea de operaii funcionale asupra semnalelor analogice. Aceasta nseamn fie operaii n care timpul intervine n mod explicit (integrare, derivare), fie operaii aritmetice asupra valorilor instantanee ale semnalelor. Exemple de operaiile aritmetice cu un singur operand: logaritmare, calculul modulului, ridicare la ptrat, extragere de radical etc. Operaii asupra mai multor semnale: adunare, scdere, nmulire, mprire, selectarea maximului sau minimului etc. Adunrea, scderea, integrarea i derivarea snt operaii liniare. Celelalte operaii snt neliniare. Circuitele care ndeplinesc aceste funciuni poart numele operatorului. Exemplu: sumator (sau circuit de adunare), integrator, circuit de nmulire etc. Conversie analog-numeric, conversie numeric-analogic = funciunile prin care un semnal analogic este aproximat printr-o secven numeric, respectiv se creaz un semnal analogic, a crui evoluie n timp este extrapolarea unei secvene numerice. Circuitele corespunztoare snt convertorul A/D, respectiv convertorul D/A. Calcul numeric = const n efectuarea de operaii funcionale asupra semnalelor numerice. Gama de operaii posibile este mult mai larg dect cea permis de circuitele analogice, la baza lor stnd funciile logice. Dei aceste operaii pot fi realizate de circuite logice neprogramabile, astzi aceast funciune nu mai este realizat dect ntr-un procesor, care este programabil, adic execut operaiile conform unui program, pe care l poate repeta nelimitat. Motivul este flexibilitatea nelimitat a funciunilor, permis de caracterul programabil al circuitului. De regul, procesorul (care poate avea multe denumiri microprocesor, PIC, microcontroler, procesor microprogramat) este inclus ntr-un aparat numit calculator numeric (sau, mai simplu, calculator, ntruct calculatoare analogice nu se mai folosesc). Generarea de secvene = producerea unei secvene de numere pentru comanda aparatelor. Este realizat n circuite numerice programabile sau neprogramabile. Dintre circuitele care ndeplinesc funciunile menionate, unele snt prezentate la alte cursuri: Filtrare (SCS), redresare (DE), calcul analogic (CIA), modulare-demodulare (CIA), conversie A/D i D/A (SAD), calcul numeric (CID, AC), generarea de secvene (CID). La acest curs snt prezentate circuitele care realizeaz funciunile: amplificare, oscilaie, stabilizare, modularedemodulare. Mai este prezentat tehnica fundamental de care se folosesc aceste circuite pentru obinerea unor performane stabile i precise: reacia.

Laureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008

3

1.2 Exemple de circuite n care snt utilizate funciunile prezentate 1. Un amplificator pentru semnalul de microfon (sau alt surs de semnal audio). Microfonul este sursa de semnal, sarcina amplificatorului este un sistem de difuzoare. Deoarece puterea semnalului generat de microfon este insuficient pentru scopul propus (generarea de sunet n difuzor), este necesar amplificatorul, care realizeaz creterea puterii semnalului. n mod uzual, semnalul aplicat difuzorului este similar ca form cu cel colectat de la microfon (poart aceeai informaie), dar tensiunea i curentul la difuzor snt considerabil mai mari dect cele de la microfon.

Este important de observat c criteriul prin care se stabilete ndeplinirea funciei de amplificare este creterea puterii semnalului. n acest sens, un transformator care poate crete amplitudinea tensiunii sau a curentului (dar nu pe amndou!) nu este un amplificator, deoarece puterea semnalului de ieire este mai mic dect cea de la intrare. n figura de mai jos, este posibil ca amplitudinea tensiunii de ieire s fie mai mare dect cea a tensiunii de intrare. Totui, transformatorul nu ndeplinete funciunea de amplificare, deoarece puterea transmis sarcinii este chiar mai mic dect cea absorbit de la sursa de semnal.

2. Amplificatorul necesit o surs de alimentare cu energie. De regul, aceast surs este o surs de tensiune stabilizat, altfel semnalul de ieire ar fi perturbat de variaiile sursei primare de energie electric (reea, baterie, celule solare etc.). O perturbaie important este chiar consumul propriu al sarcinii, care poate altera tensiunea de alimentare i forma semnalului. (La capitolul Amplificatoare va fi explicat cum este alterat forma semnalului de ieire de ctre zgomotul de pe alimentare.) Principalul scop al stabilizatorului de tensiune este de a livra energie ctre sarcin, la tensiune constant (adic variaii nesemnificative ale acestei mrimi), indiferent de aciunea perturbaiilor. Presupunnd c sursa primar de energie este reeaua electric, structura sursei stabilizate este: reea, filtru de reea, redresor, filtru al tensiunii redresate, stabilizator i sarcin (sarcina este chiar amplificatorul). Dac sursa este o baterie, atunci este necesar doar stabilizatorul, intercalat ntre baterie i sarcin.

Laureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008

4

3. Un alt exemplu de circuit n care se realizeaz funciunile electronice fundamentale este montajul folosit n laborator pentru caracterizarea sau depanarea circuitelor analogice. Pentru caracterizarea amplificatoarelor, se aplic la intrare un semnal de prob periodic, de form cunoscut (cel mai frecvent este semnal sinusoidal) i se analizeaz proprietile semnalului de ieire (form, amplitudine, coninut spectral, distorsiuni, putere). n acest montaj, semnalul de prob este produs de un oscilator. Oscilatorul nu primete semnale din exterior, doar alimentare cu energie electric. Pentru stabilirea parametrilor semnalului oscilatorului (frecven, amplitudine, forma semnalului, component continu), productorul a amplasat pe panoul aparatului butoane de ajustare. Ca i n cazul amplificatorului, oscilatorul are nevoie de sursa de alimentare cu tensiune, pentru a genera energia semnalului. Tensiunea de alimentare trebuie s fie stabilizat, pentru a mpiedica alterarea semnalului de ctre perturbaiile sosite de pe circuitul de alimentare.

4. n cuprinsul unui emitor radio, exist un circuit care suprapune informaia adus de semnalul de microfon peste o purttoare de frecven mare (radiofrecven). Circuitul se numete modulator. nainte de emisie, este necesar ca spectrul semnalului de radiofrecven s fie limitat doar la intervalul permis de licena de emisie. Circuitul care realizeaz aceast funciune este un filtru. Dac nu am folosi filtrul i ar fi transmise prin anten componente suplimentare ale semnalului, de frecvene alturate intervalului permis, ar fi deranjate receptoarele recepionnd posturile care folosesc legal acele frecvene.

Celelate pri din emitorul radio: microfon, amplificator JF, oscilator purttoare, amplificator de putere RF, anten, surs de alimentare. 1.3 Scheme bloc n etapa de proiectare, nu este rezonabil s se conceap schema complet a unui aparat, ntr-un singur pas, care apoi s fie dimensionat, pentru c ar rezulta un sistem cu multe ecuaii i inecuaii, cu multe compromisuri de rezolvat. Metoda uzual de proiectare este fracionarea schemei n blocuri, dup funciunile ndeplinite i tehnologia specific. Schema bloc este o reprezentare aLaureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008 5

funciunilor i structurii eseniale a circuitului, n care se omit detaliile. Este util nu numai pentru nelegerea funcionrii, dar i pentru divizarea efortului de proiectare n etape i ntre mai multe echipe. Nu mai este necesar s avem n minte ntregul aparat sau echipament, atunci cnd executm proiectul, ci doar blocul pe care l proiectm n acel moment, plus interaciunea cu alte blocuri. Blocurile se proiecteaz separat, dup care se verific funcionarea ansamblului. Spre exemplu, n cazul unui radioreceptor, se proiecteaz nti etajul de radiofrecven, apoi cel de frecven intermediar, amplificatorul audio i blocul de alimentare stabilizat. Exemple: receptor radio, emitor radio.

Receptor radio: anten, amplificator de radiofrecven, oscilator local (oscileaz pe o frecven apropiat de a purttoarei), schimbtor de frecven, amplificator de frecven intermediar, demodulator, amplificator de audiofrecven, difuzor, surs de alimentare

Laureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008

6

2. AMPLIFICATOAREAmplificatorul este un circuit (bloc funcional) care realizeaz creterea puterii semnalului, pstrnd informaia din semnalul original. Creterea puterii semnalului se face pe seama nergiei absobite de la sursa de alimentare. Amplificatorul este prezent n majoritatea circuitelor care realizeaz alte funciuni de prelucrare a semnalului (oscilatoare, stabilizatoare, modulatoare, demodulatoare, convertoare). n general, ne ateptm ca informaia s fie conservat prin conservarea formei semnalului, ceea ce nseamn c dorim ca amplificatorul s lucreze liniar. Totui, nu ntotdeauna este pstrat riguros forma semnalului (se mai numete anvelop). Exist situaii n care amplificatorul lucreaz liniar, dar forma semnalului este afectat de distorsiunile de amplitudine sau de faz. Funciunea ndeplinit este tot amplificare. Prin extensie, chiar i n domeniul circuitelor de impulsuri, unde forma semnalului poate fi uor afectat, fr a se pierde informaia, este folosit tot noiunea de amplificator (amplificator de impulsuri). Totui, n acest capitol, termenul de amplificare se va referi numai la circuite analogice i la o prelucrare liniar sau cvasi liniar. Clasificri ale amplificatoarelor: dup transmiterea componentei continue - amplificatoare de c.c. - amplificatoare de c.a. dup gama de frecvene (influenat de tehnologia specific acelei benzi) - amplificatoare de audiofrecven - amplificatoare de videofrecven - amplificatoare de radiofrecven - amplificatoare de microunde dup puterea transmis sarcinii - amplificatoare de mic putere - amplificatoare de putere mare 2.1 Noiuni specifice, modele ale amplificatorului 2.1.1 Modele liniare ale amplificatorului Modelul cel mai general care descrie funcionarea unui amplificator este cel care rezult din scrierea ecuaiilor modelelor tuturor componentelor, la care se adaug ecuaiile Kirchhoff. De regul, rezult un sistem de ecuaii difereniale, n care modelele dispozitivelor conin i neliniariti. Totui, pentru nelegerea modelrii circuitelor, se consider pentru nceput cazurile mai simple, care se aplic n condiii mai restrictive, dar frecvent ntlnite n practic. Proprietatea de liniaritate, aplicat la procesarea semnalelor, se definete astfel: operatorul F, definit pe un spaiu vectorial (mulimea semnalelor are aceast structur), este liniar dac relaia

F (a x + b x) = a F ( x) + b F ( y )este ndeplinit pentru orice vectori x, y i orice scalari a, b. Cea mai simpl relaie intrare-ieire liniar care descrie funciunea de amplificare este: xo (t ) = a xi (t )Laureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008 7

(2.1)

Mrimile de intrare i ieire pot fi tensiuni sau cureni, n orice combinaie. Mrimea a este numit amplificare. O variant mai puin ntlnit n electronic (linii de ntrziere i propagarea semnalelor n circuite numerice) este cea a circuitelor care prezint timp mort: xo (t ) = a xi (t ) (2.2)

Amndou funciunile modelate mai sus snt liniare. Proprietatea de liniaritate n raport cu valorile instantanee asigur conservarea formei semnalului (se mai numete anvelopa semnalului). Dimensiunea fizic a amplificrii depinde de natura mrimilor de intrare i ieire. Ea poate fi: - amplificare de tensiune (adimensional); - amplificare de curent (adimensional); - amplificare transimpedan; - amplificare transadmitan. Relaia (2.1) prin care am definit amplificarea este doar o aproximaie valabil ntr-un interval spectral limitat. Dac semnalul de intrare nu conine componente n afara acestui interval spectral, aproximaia este foarte bun i poate fi folosit pentru a descrie funcionarea amplificatorului. Exemplu: n figura 2.1, amplificarea este constant, n intervalul spectral n care densitatea de amplitudine a semnalului este nenul. Ca urmare, este rezonabil folosirea modelului (2.1).

Figura 2.1: Caracteristica de frecven a unui amplificator de c.a. i densitatea spectral de amplitudine a semnalului de intrare n cazul cnd amplificarea nu este o constant pe tot intervalul spectral al semnalului de intrare, atunci sigur se va manifesta i defazajul variabil (aceast manifestare simultan a variaiei modulului amplificrii i a defazajului va fi analizat n detaliu la analiza circuitelor i sistemelor). Pentru aceast situaie, un model mai adecvat, care ine cont de defazaje, este exprimat fie n domeniul frecvenial, fie n domeniul timp. Modelul n domeniul timp:+

u o (t ) = h(t ) * ui (t ) =

h( ) ui (t ) d

(2.3)

Modelul furnizeaz semnalul de ieire, ca produs de convoluie ntre semnalul de intrare i funcia rspuns la impuls a circuitului, (h(t)). n relaia (2.3) am considerat c semnalele de intrare i ieire snt tensiuni, dar ele se aplic similar pentru celelalte variante. Modelul n timp este dificil deLaureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008 8

folosit. Mai mult, deseori nu este util analiza n timp, tiind oricum c forma anvelopei semnalului se schimb la trecerea prin amplificator. Este mai util modelul frecvenial: U o ( j ) = H ( j ) U i ( j ) , (2.4)

n care apar transformatele Fourier ale semnalelor de ieire, respectiv intrare. Modelul circuitului este funcia rspuns la frecven, ca raport al transformatelor Fourier ale semnalelor. Acest model permite deducerea componenei spectrale a semnalului de ieire, dar permite i deducerea formei sale n timp, prin transformata Fourier invers. Funcia rspuns la frecven este transformata Fourier a funciei rspuns la impuls. O interpretare intuitiv i foarte util pentru caracterizarea circuitului este cea n care se consider circuitul lucrnd n regim permanent sinusoidal. n acest caz, modulul lui H este amplificarea, n sensul folosit mai sus. Argumentul lui H este defazajul semnalului sinusoidal de ieire, fa de cel de intrare. Reprezentarea grafic a celor dou mrimi (modulul i argumentul lui H) poart numele de caracteristici de frecven.

Figura 2.2: Diagramele semnalelor de intrare i de ieire dintr-un amplificator Spre exemplu, n figura 2.2 apar semnalele n tensiune de la intrarea i ieirea unui circuit, aa cum le putem vedea pe ecranul osciloscopului. Gradaiile axelor reprezint: 1 V pe vertical i 1 ms pe orizontal. Perioada este 2 ms, frecvena este 500 Hz iar amplitudinile celor dou semnale snt 0,5 V, respectiv 2,9 V. Presupunem c momentul t=0 este chiar momentul n care semnalul de intrare trece cresctor prin valoarea 0, iar momentul n care semnalul de ieire trece cresctor prin valoarea 0 a fost marcat pe axa timpului, ntre diagrame. Se poate scrie: ui (t ) = 0,5 sin(t ) i uo (t ) = 2,9 sin(t 1,25) (ambele tensiuni exprimate n voli, fazele n radiani), cu = 2 500 (rad/s). De aici se pot calcula:Laureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008 9

| H ( j ) |=

2,9 0,4 = 5,8 i arg( H ( j )) = 2 = 1,256 rad (sau -72 grade). 0,5 2

Cteva observaii intuitive se pot face pe aceste diagrame: - faptul c semnalul de ieire este defazat fa de cel de intrare ne arat c frecvena semnalului este n afara intervalului n care amplificarea este o constant (opusul a ceea ce se ntmpla n figura 2.1); - din motivul artat mai sus, modelul (2.1) nu este adecvat, trebuie folosit unul dintre modelele (2.3) sau (2.4); - valoarea negativ a defazajului ne arat c frecvena semnalului este situat n partea descresctoare a caracteristicii amplitudine frecven (se studiaz la cursul de circuite i sisteme); - amplificarea n interiorul benzii de amplificare constant este sigur mai mare dect valoarea 5,8. 2.1.2 Ipoteza de unilateralitate Scopul amplificatorului este creterea puterii semnalului de ieire, n raport cu cel de intrare. n sens informaional, semnalul se propag de la intrare spre ieire. Nu avem interes ca semnalul s se propage dect n acest sens, deci, de cte ori este posibil, dorim realizarea unui amplificator cu aceast proprietate, numit unilateralitate. Ca urmare, putem descrie modelele prezentate prin una din structurile din figura 2.3, n care semnalul se propag n sensul indicat de sgei.

Figura 2.3: Modele de amplificator unilateral 2.1.3 Impedanele de intrare i ieire De regul, amplificatorul este conectat la un generator de semnal (circuitul care furnizeaz semnalul de intrare) i la o sarcin (care folosete semnalul de ieire). Transferul de informaie ntre generator i amplificator, ca i cel ntre amplificator i sarcin, se face cu consum de energie. Acest fenomen este modelat prin impedanele generatorului, amplificatorului i sarcinii. Se poate observa c modelele prezentate mai sus snt incomplete, din punctul de vedere al electronistului, deoarece nu prevd cum se vor schimba proprietile amplificatorului, n funcie de sarcin i de generator. Un model mai apropiat de realitate este cel care ine cont de impedanele de intrare i ieire, ca n cazul modelelor cu parametri de cuadripol (figurile 0.2-0.5). n cazul amplificatoarelor cu proprietatea de unilateralitate, putem omite generatorul comandat care modelelaz propagarea n sens invers prin amplificator. Rezult o structur caracterizat prin amplificare, impedana de intrare i cea de ieire. n funcie de natura mrimilor considerate ca intrare i ieire, exist patru variante de reprezentare (vezi figurile 2.4 2.7). Ele corespund unui amplificator de tensiune, amplificator de curent, amplificator transimpedan i amplificator transadmitan.

Figura 2.4: Amplificator de tensiuneLaureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008

Figura 2.5: Amplificator de curent10

Figura 2.6: Amplificator transimpedan

Figura 2.7: Amplificator transadmitan

Utilitatea acestui model se remarc dup urmtoarele constatri: - n amplificator exist un numr mare de componente, fiecare modelat prin una sau mai multe ecuaii algebrice sau difereniale; - unele dintre componente snt neliniare; - la intrare i la ieire se scriu cel puin cte o ecuaie, care depinde de generator, respectiv de sarcin; - exist frecvent incertitudini asupra impedanelor generatorului i sarcinii, sau aceste impedane snt modificate din motive nelegate de amplificator. n condiiile prezentate, rezolvarea ecuaiilor este laborioas i ar fi nerezonabil reluarea rezolvrii de fiecare dat cnd se modific generatorul sau sarcina. Este mai avantajos s se rezolve ecuaiile fr impedanele de generator i sarcin, rezultnd astfel modelele cu cte 3 parametri din figurile 2.4 2.7. La fiecare schimbare de generator sau sarcin se rezolv din nou un sistem cu doar dou ecuaii. Spre exemplu, n cazul amplificatorului de tensiune, relaia intrare ieire care rezult din rezolvarea ecuaiilor devine: U s = auU i Rs Zi Rs = au E g Z o + Rs Z i + R g Z o + Rs (2.5)

De menionat c, n model, valoarea amplificrii este calculat considernd amplificatorul fr sarcin. Aceasta nseamn: - pentru semnal de ieire n tensiune, se consider rezistena de sarcin foarte mare; - pentru semnal de ieire n curent, se consider rezistena de sarcin foarte mic. 2.1.4 Noiunea de amplificator ideal n paragrafele precedente am fcut de mai multe ori ipotezele c mrimea msurat la ieire sau la intrare este tensiune sau curent. Acest aspect trebuie vzut puin mai n profunzime. Dac scopul amplificatorului este s furnizeze cea mai mare putere de semnal n sarcin, atunci soluia este s alegem impedana de intrare egal cu impedana generatorului, iar impedana de ieire egal cu cea a sarcinii (teorema transferului maxim de putere). Aceast abordare este mai puin folosit n electronic, din dou motive: - reduce randamentul amplificatorului sub 50%, ceea ce este nerezonabil la amplificatoarele de puteri mari; - valoarea amplificrii totale este oarecum incert, dac impedanele generatorului i sarcinii nu snt cunoscute exact. Foarte frecvent, scopul amplificatorului este s furnizeze semnal ctre sarcin, valoarea amplificrii fiind foarte exact cunoscut. Este cazul circuitelor folosite pentru msurare, pentru reglare automat, pentru stabilizare, pentru detectarea semnalelor din telecomunicaii. n astfel de cazuri, o valoare incert a amplificrii nu este acceptabil. Pe de alt parte, tiind c valorile impedanelor de generator i de sarcin au incertitudini, se caut variante de amplificator care s nu fie influenate deLaureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008 11

aceste impedane. Despre un amplificator a crui amplificare nu depinde de generator i de sarcin, se spune c este ideal. Pentru prezentarea soluiei, se consider cazul particular al amplificatorului de tensiune, din figura 2.4., la care amplitudinea semnalului de ieire este dat de relaia (2.5). Ne putem imagina c semnalul de intrare provine de la un traductor, care se comport ca un generator de tensiune, cu impedan intern mic, dar incert. De asemenea, ne putem imagina c dorim un semnal de ieire n tensiune, dar impedana sarcinii nu are o valoare cert. Singura ans ca relaia ntre tensiunea de intrare i cea de ieire s fie invariabil, este ca cele dou rapoarte din expresia (2.5) s fie foarte apropiate de unitate. Rezult condiiile:Z i >> R g

i

Z o Rs pentru ieire ideal n curent.

i pentru aceste condiii exist interpretri intuitive: intrarea este ideal n curent dac generatorul lucreaz n scurtcircuit, iar ieirea este ideal n curent dac sarcina se comport ca un scurtcircuit fa de ieirea amplificatorului. n funcie de mrimile de interes la intrare i ieire, exist 4 combinaii posibile, care definesc un amplificator ideal: - aplificator ideal de tensiune, definit de Z i >> R g i Z o Rs ;

Laureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008

12

- amplificator ideal transadmitan (intrare n tensiune i ieire n curent), definit de Z i >> R g i

Z o >> Rs ; - amplificator ideal transimpedan (intrare n curent i ieire n tensiune), definit de: Z i