Amplificador - Amplifier

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Um amplificador de áudio estéreo de 100 watts usado em sistemas de áudio de componente doméstico na década de 1970.
Amplificação significa aumentar a amplitude (tensão ou corrente) de um sinal variável no tempo por um determinado fator, como mostrado aqui. O gráfico mostra a tensão de entrada (azul) e de saída (vermelho) de um amplificador linear ideal com um sinal arbitrário aplicado como entrada. Neste exemplo, o amplificador tem um ganho de voltagem de 3; isso é a qualquer momento

Um amplificador , amplificador eletrônico ou (informalmente) amplificador é um dispositivo eletrônico que pode aumentar a potência de um sinal (uma tensão ou corrente variável com o tempo ). É um circuito eletrônico de duas portas que usa a energia elétrica de uma fonte de alimentação para aumentar a amplitude de um sinal aplicado aos seus terminais de entrada, produzindo um sinal de amplitude proporcionalmente maior em sua saída. A quantidade de amplificação fornecida por um amplificador é medida por seu ganho : a proporção da tensão de saída, corrente ou potência para entrada. Um amplificador é um circuito que possui um ganho de potência maior que um.

Um amplificador pode ser uma peça separada do equipamento ou um circuito elétrico contido em outro dispositivo. A amplificação é fundamental para a eletrônica moderna e os amplificadores são amplamente usados ​​em quase todos os equipamentos eletrônicos. Os amplificadores podem ser categorizados de diferentes maneiras. Uma é pela frequência do sinal eletrônico sendo amplificado. Por exemplo, amplificadores de áudio amplificam sinais na faixa de áudio (som) de menos de 20 kHz, amplificadores de RF amplificam frequências na faixa de frequência de rádio entre 20 kHz e 300 GHz, e servo amplificadores e amplificadores de instrumentação podem funcionar com frequências muito baixas até corrente direta. Os amplificadores também podem ser categorizados por sua localização física na cadeia de sinal ; um pré - amplificador pode preceder outros estágios de processamento de sinal, por exemplo. O primeiro dispositivo elétrico prático que poderia amplificar foi o tubo de vácuo triodo , inventado em 1906 por Lee De Forest , que levou aos primeiros amplificadores por volta de 1912. Hoje, a maioria dos amplificadores usa transistores .

História

Tubos a vácuo

O primeiro dispositivo prático proeminente que poderia amplificar foi o tubo de vácuo triodo , inventado em 1906 por Lee De Forest , que levou aos primeiros amplificadores por volta de 1912. Os tubos de vácuo foram usados ​​em quase todos os amplificadores até 1960-1970, quando os transistores os substituíram. Hoje, a maioria dos amplificadores usa transistores, mas os tubos a vácuo continuam a ser usados ​​em algumas aplicações.

O protótipo de amplificador de áudio de De Forest de 1914. O tubo de vácuo Audion (triodo) tinha um ganho de voltagem de cerca de 5, fornecendo um ganho total de aproximadamente 125 para este amplificador de três estágios.

O desenvolvimento da tecnologia de comunicação de áudio na forma de telefone , patenteada pela primeira vez em 1876, criou a necessidade de aumentar a amplitude dos sinais elétricos para estender a transmissão de sinais a distâncias cada vez maiores. Na telegrafia , esse problema foi resolvido com dispositivos intermediários em estações que reabasteciam a energia dissipada operando um gravador de sinal e um transmissor back-to-back, formando um relé , de modo que uma fonte de energia local em cada estação intermediária alimentasse a próxima perna do transmissão. Para transmissão duplex, ou seja, envio e recebimento em ambas as direções, repetidores de relé bidirecionais foram desenvolvidos começando com o trabalho de CF Varley para transmissão telegráfica. A transmissão duplex era essencial para a telefonia e o problema não foi resolvido de forma satisfatória até 1904, quando HE Shreeve da American Telephone and Telegraph Company melhorou as tentativas existentes de construir um repetidor de telefone consistindo de um transmissor de grânulos de carbono e pares de receptores eletrodinâmicos consecutivos . O repetidor Shreeve foi testado pela primeira vez em uma linha entre Boston e Amesbury, MA, e dispositivos mais refinados permaneceram em serviço por algum tempo. Após a virada do século, descobriu-se que as lâmpadas de mercúrio de resistência negativa podiam amplificar, e também foram testadas em repetidoras, com pouco sucesso.

O desenvolvimento de válvulas termiônicas começando por volta de 1902, forneceu um método inteiramente eletrônico de amplificação de sinais. A primeira versão prática de tais dispositivos foi o triodo Audion , inventado em 1906 por Lee De Forest , que levou aos primeiros amplificadores por volta de 1912. Como o único dispositivo anterior amplamente usado para fortalecer um sinal era o relé usado em sistemas telegráficos , o tubo de vácuo amplificador foi inicialmente chamado de relé de elétrons . Os termos amplificador e amplificação , derivados do latim amplificare , ( ampliar ou expandir ), foram usados ​​pela primeira vez para essa nova capacidade por volta de 1915, quando os triodos se espalharam.

O tubo de vácuo amplificador revolucionou a tecnologia elétrica, criando o novo campo da eletrônica , a tecnologia dos dispositivos elétricos ativos . Tornou possível linhas telefônicas de longa distância, sistemas de endereçamento público , radiodifusão , cinema falado , gravação prática de áudio , radar , televisão e os primeiros computadores . Por 50 anos, praticamente todos os dispositivos eletrônicos de consumo usaram tubos de vácuo. Os primeiros amplificadores valvulados freqüentemente tinham feedback positivo ( regeneração ), o que poderia aumentar o ganho, mas também tornar o amplificador instável e sujeito a oscilações. Grande parte da teoria matemática dos amplificadores foi desenvolvida na Bell Telephone Laboratories durante as décadas de 1920 a 1940. Os níveis de distorção nos primeiros amplificadores eram altos, geralmente em torno de 5%, até 1934, quando Harold Black desenvolveu feedback negativo ; isso permitiu que os níveis de distorção fossem bastante reduzidos, ao custo de um ganho menor. Outros avanços na teoria da amplificação foram feitos por Harry Nyquist e Hendrik Wade Bode .

O tubo de vácuo foi virtualmente o único dispositivo de amplificação, além dos dispositivos de energia especializados, como o amplificador magnético e amplidine , por 40 anos. Os circuitos de controle de potência usaram amplificadores magnéticos até a segunda metade do século XX, quando os dispositivos semicondutores de potência se tornaram mais econômicos, com velocidades de operação mais altas. Os antigos repetidores de carbono eletroacústicos da Shreeve eram usados ​​em amplificadores ajustáveis ​​em conjuntos de assinantes de telefone para deficientes auditivos até que o transistor forneceu amplificadores menores e de maior qualidade na década de 1950.

Transistores

O primeiro transistor de trabalho foi um transistor de ponto de contato inventado por John Bardeen e Walter Brattain em 1947 na Bell Labs , onde William Shockley inventou mais tarde o transistor de junção bipolar (BJT) em 1948. Eles foram seguidos pela invenção do óxido de metal. transistor semicondutor de efeito de campo (MOSFET) por Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng no Bell Labs em 1959. Devido ao dimensionamento do MOSFET , a capacidade de diminuir para tamanhos cada vez menores, o MOSFET se tornou o amplificador mais amplamente usado.

A substituição de tubos de elétrons volumosos por transistores durante as décadas de 1960 e 1970 criou uma revolução na eletrônica, tornando possível uma grande classe de dispositivos eletrônicos portáteis, como o rádio transistor desenvolvido em 1954. Hoje, o uso de tubos de vácuo é limitado para algumas altas potências aplicações, como transmissores de rádio.

Começando na década de 1970, mais e mais transistores foram conectados em um único chip, criando assim escalas mais altas de integração (como integração em pequena, média e grande escala ) em circuitos integrados . Muitos amplificadores disponíveis comercialmente hoje são baseados em circuitos integrados.

Para fins especiais, outros elementos ativos foram usados. Por exemplo, nos primeiros dias da comunicação por satélite , foram usados amplificadores paramétricos . O circuito central era um diodo cuja capacitância foi alterada por um sinal de RF criado localmente. Sob certas condições, este sinal de RF forneceu energia que foi modulada pelo sinal de satélite extremamente fraco recebido na estação terrestre.

Os avanços na eletrônica digital desde o final do século 20 forneceram novas alternativas aos amplificadores de ganho linear tradicionais, usando a comutação digital para variar a forma de pulso dos sinais de amplitude fixa, resultando em dispositivos como o amplificador Classe-D .

Ideal

Os quatro tipos de fonte dependente - variável de controle à esquerda, variável de saída à direita

Em princípio, um amplificador é uma rede elétrica de duas portas que produz um sinal na porta de saída que é uma réplica do sinal aplicado à porta de entrada, mas com magnitude aumentada.

A porta de entrada pode ser idealizada como uma entrada de tensão, que não recebe corrente, com a saída proporcional à tensão na porta; ou uma entrada de corrente, sem tensão, na qual a saída é proporcional à corrente que passa pela porta. A porta de saída pode ser idealizada como sendo uma fonte de tensão dependente , com resistência de fonte zero e sua tensão de saída dependente da entrada; ou uma fonte de corrente dependente , com resistência de fonte infinita e a corrente de saída dependente da entrada. As combinações dessas opções levam a quatro tipos de amplificadores ideais. Na forma idealizada são representados por cada um dos quatro tipos de fonte dependente utilizados na análise linear, conforme mostrado na figura, a saber:

Entrada Resultado Fonte dependente Tipo de amplificador Unidades de ganho
eu eu Fonte de corrente controlada por corrente, CCCS Amplificador de corrente Sem unidade
eu V Fonte de tensão controlada por corrente, CCVS Amplificador de transresistência Ohm
V eu Fonte de corrente controlada por tensão, VCCS Amplificador de transcondutância Siemens
V V Fonte de tensão controlada por tensão, VCVS Amplificador de voltagem Sem unidade

Cada tipo de amplificador em sua forma ideal tem uma resistência ideal de entrada e saída que é a mesma da fonte dependente correspondente:

Tipo de amplificador Fonte dependente Impedância de entrada Impedância de saída
Atual CCCS 0
Transresistência CCVS 0 0
Transcondutância VCCS
Voltagem VCVS 0

Em amplificadores reais, as impedâncias ideais não são possíveis de alcançar, mas esses elementos ideais podem ser usados ​​para construir circuitos equivalentes de amplificadores reais adicionando impedâncias (resistência, capacitância e indutância) à entrada e à saída. Para qualquer circuito particular, uma análise de pequeno sinal é freqüentemente usada para encontrar a impedância real. Uma corrente de teste CA de pequeno sinal I x é aplicada ao nó de entrada ou saída, todas as fontes externas são definidas para CA zero e a tensão alternada correspondente V x através da fonte de corrente de teste determina a impedância vista nesse nó como R = V x / I x .

Amplificadores projetados para serem conectados a uma linha de transmissão na entrada e na saída, especialmente amplificadores de RF , não se encaixam nesta abordagem de classificação. Em vez de lidar com tensão ou corrente individualmente, eles idealmente se acoplam com uma impedância de entrada ou saída combinada com a impedância da linha de transmissão, ou seja, relações de correspondência entre tensão e corrente. Muitos amplificadores RF reais chegam perto desse ideal. Embora, para uma determinada fonte e impedância de carga, os amplificadores de RF possam ser caracterizados como amplificadores de tensão ou corrente, eles basicamente são amplificadores de potência.

Propriedades

As propriedades do amplificador são fornecidas por parâmetros que incluem:

Os amplificadores são descritos de acordo com as propriedades de suas entradas, saídas e como se relacionam. Todos os amplificadores têm ganho, um fator de multiplicação que relaciona a magnitude de alguma propriedade do sinal de saída a uma propriedade do sinal de entrada. O ganho pode ser especificado como a relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada ( ganho de tensão ), a potência de saída e a potência de entrada ( ganho de potência ) ou alguma combinação de corrente, tensão e potência. Em muitos casos, a propriedade da saída que varia depende da mesma propriedade da entrada, tornando o ganho sem unidade (embora frequentemente expresso em decibéis (dB)).

A maioria dos amplificadores é projetada para ser linear. Ou seja, eles fornecem ganho constante para qualquer nível de entrada normal e sinal de saída. Se o ganho de um amplificador não for linear, o sinal de saída pode ficar distorcido . Existem, no entanto, casos em que o ganho variável é útil. Certos aplicativos de processamento de sinal usam amplificadores de ganho exponencial.

Amplificadores são normalmente concebidos para funcionar bem em um aplicativo específico, por exemplo: de rádio e de televisão transmissores e receptores , de alta fidelidade ( "oi-fi") equipamentos de som, microcomputadores e outros equipamentos digitais e guitarra e outros amplificadores de instrumentos . Cada amplificador inclui pelo menos um dispositivo ativo , como um tubo de vácuo ou transistor .

Avaliação negativa

O feedback negativo é uma técnica usada na maioria dos amplificadores modernos para melhorar a largura de banda, a distorção e o ganho de controle. Em um amplificador de feedback negativo, parte da saída é realimentada e adicionada à entrada na fase oposta, subtraindo da entrada. O principal efeito é reduzir o ganho geral do sistema. No entanto, quaisquer sinais indesejados introduzidos pelo amplificador, como distorção, também são realimentados. Como não fazem parte da entrada original, são adicionados à entrada em fase oposta, subtraindo-os da entrada. Desta forma, o feedback negativo também reduz a não linearidade, distorção e outros erros introduzidos pelo amplificador. Grandes quantidades de feedback negativo podem reduzir erros a ponto de a resposta do próprio amplificador se tornar quase irrelevante, desde que tenha um grande ganho, e o desempenho de saída do sistema (o " desempenho de loop fechado ") é definido inteiramente pelo componentes no ciclo de feedback. Esta técnica é particularmente usada com amplificadores operacionais ( amplificadores operacionais ).

Os amplificadores sem feedback podem atingir apenas cerca de 1% de distorção para sinais de frequência de áudio. Com feedback negativo , a distorção pode normalmente ser reduzida para 0,001%. Ruído, mesmo distorção cruzada, pode ser praticamente eliminado. O feedback negativo também compensa as mudanças de temperatura e degradação ou componentes não lineares no estágio de ganho, mas qualquer mudança ou não linearidade nos componentes do loop de feedback afetará a saída. Na verdade, a capacidade do circuito de feedback de definir a saída é usada para fazer circuitos de filtro ativos .

Outra vantagem do feedback negativo é que ele estende a largura de banda do amplificador. O conceito de feedback é usado em amplificadores operacionais para definir com precisão o ganho, a largura de banda e outros parâmetros inteiramente baseados nos componentes do loop de feedback.

O feedback negativo pode ser aplicado em cada estágio de um amplificador para estabilizar o ponto de operação dos dispositivos ativos contra pequenas alterações na tensão da fonte de alimentação ou nas características do dispositivo.

Algum feedback, positivo ou negativo, é inevitável e muitas vezes indesejável - introduzido, por exemplo, por elementos parasitas , como a capacitância inerente entre a entrada e a saída de dispositivos como transistores e acoplamento capacitivo de fiação externa. O feedback positivo dependente de frequência excessivo pode produzir oscilação parasitária e transformar um amplificador em um oscilador .

Categorias

Dispositivos ativos

Todos os amplificadores incluem alguma forma de dispositivo ativo: este é o dispositivo que faz a amplificação real. O dispositivo ativo pode ser um tubo de vácuo , componente de estado sólido discreto, como um único transistor , ou parte de um circuito integrado , como em um amplificador operacional ).

Amplificadores de transistor (ou amplificadores de estado sólido) são o tipo mais comum de amplificador em uso hoje. Um transistor é usado como o elemento ativo. O ganho do amplificador é determinado pelas propriedades do próprio transistor, bem como pelo circuito dentro dele.

Dispositivos ativos comuns em amplificadores de transistor incluem transistores de junção bipolar (BJTs) e transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico (MOSFETs).

As aplicações são numerosas, alguns exemplos comuns são amplificadores de áudio em um aparelho de som doméstico ou sistema de endereço público , geração de alta potência de RF para equipamentos semicondutores, para aplicações de RF e microondas, como transmissores de rádio.

A amplificação baseada em transistor pode ser realizada usando várias configurações: por exemplo, um transistor de junção bipolar pode realizar base comum , coletor comum ou amplificação de emissor comum ; um MOSFET pode realizar porta comum , fonte comum ou amplificação de dreno comum . Cada configuração possui características diferentes.

Os amplificadores de válvula a vácuo (também conhecidos como amplificadores de válvula ou amplificadores de válvula) usam uma válvula de vácuo como dispositivo ativo. Enquanto os amplificadores semicondutores têm amplificadores de válvula amplamente substituídos para aplicações de baixa potência, os amplificadores de válvula podem ser muito mais econômicos em aplicações de alta potência, como radar, equipamento de contramedida e equipamento de comunicação. Muitos amplificadores de micro-ondas são amplificadores de válvula especialmente projetados, como clístron , girotron , tubo de onda viajante e amplificador de campo cruzado , e essas válvulas de micro-ondas fornecem saída de energia de dispositivo único muito maior em frequências de micro-ondas do que dispositivos de estado sólido. Os tubos de vácuo continuam a ser usados ​​em alguns equipamentos de áudio de última geração, bem como em amplificadores de instrumentos musicais , devido à preferência pelo " som de tubo ".

Os amplificadores magnéticos são dispositivos um tanto semelhantes a um transformador, onde um enrolamento é usado para controlar a saturação de um núcleo magnético e, portanto, alterar a impedância do outro enrolamento.

Eles caíram em desuso devido ao desenvolvimento em amplificadores de semicondutores, mas ainda são úteis no controle de HVDC e em circuitos de controle de energia nuclear por não serem afetados pela radioatividade.

Resistências negativas podem ser usadas como amplificadores, como o amplificador de diodo de túnel .

Amplificadores de potência

Amplificador de potência da Skyworks Solutions em um smartphone .

Um amplificador de potência é um amplificador projetado principalmente para aumentar a potência disponível para uma carga . Na prática, o ganho de potência do amplificador depende das impedâncias da fonte e da carga , bem como da tensão inerente e do ganho de corrente. Um projeto de amplificador de radiofrequência (RF) normalmente otimiza as impedâncias para transferência de energia, enquanto os projetos de amplificador de áudio e instrumentação normalmente otimizam a impedância de entrada e saída para menor carga e maior integridade de sinal. Um amplificador que se diz ter um ganho de 20 dB pode ter um ganho de voltagem de 20 dB e um ganho de potência disponível de muito mais do que 20 dB (relação de potência de 100) - mas, na verdade, oferece um ganho de potência muito menor se, por exemplo , a entrada é de um microfone de 600 Ω e a saída se conecta a um soquete de entrada de 47  para um amplificador de potência. Em geral, o amplificador de potência é o último 'amplificador' ou circuito real em uma cadeia de sinal (o estágio de saída) e é o estágio do amplificador que requer atenção à eficiência de potência. As considerações de eficiência levam às várias classes de amplificadores de potência com base na polarização dos transistores ou válvulas de saída: consulte as classes de amplificadores de potência abaixo.

Amplificadores de potência de áudio são normalmente usados ​​para acionar alto-falantes . Freqüentemente, eles têm dois canais de saída e fornecem potência igual a cada um. Um amplificador de potência de RF é encontrado nos estágios finais do transmissor de rádio . Um controlador servo motor : amplifica uma tensão de controle para ajustar a velocidade de um motor ou a posição de um sistema motorizado.

Amplificadores operacionais (amplificadores operacionais)

Um amplificador
operacional LM741 de uso geral

Um amplificador operacional é um circuito amplificador que normalmente tem um alto ganho de malha aberta e entradas diferenciais. Os amplificadores operacionais tornaram-se amplamente usados ​​como "blocos de ganho" padronizados em circuitos devido à sua versatilidade; seu ganho, largura de banda e outras características podem ser controlados por feedback através de um circuito externo. Embora o termo hoje comumente se aplique a circuitos integrados, o projeto do amplificador operacional original usava válvulas, e os projetos posteriores usavam circuitos de transistor discretos.

Um amplificador totalmente diferencial é semelhante ao amplificador operacional, mas também tem saídas diferenciais. Geralmente são construídos usando BJTs ou FETs .

Amplificadores distribuídos

Eles usam linhas de transmissão balanceadas para separar amplificadores individuais de estágio único, cujas saídas são somadas pela mesma linha de transmissão. A linha de transmissão é um tipo balanceado com a entrada em uma extremidade e em um lado da linha de transmissão balanceada e a saída na extremidade oposta também é o lado oposto da linha de transmissão balanceada. O ganho de cada estágio adiciona linearmente à saída em vez de se multiplicar um no outro como em uma configuração em cascata. Isso permite que uma largura de banda maior seja alcançada do que poderia ser realizada, mesmo com os mesmos elementos de estágio de ganho.

Amplificadores de modo comutado

Esses amplificadores não lineares têm eficiências muito mais altas do que os amplificadores lineares e são usados ​​onde a economia de energia justifica a complexidade extra. Os amplificadores de classe D são o principal exemplo desse tipo de amplificação.

Amplificador de resistência negativa

Amplificador de resistência negativa é um tipo de amplificador regenerativo que pode usar o feedback entre a fonte do transistor e a porta para transformar uma impedância capacitiva na fonte do transistor em uma resistência negativa em sua porta. Comparado com outros tipos de amplificadores, este "amplificador de resistência negativa" exigirá apenas uma pequena quantidade de potência para atingir um ganho muito alto, mantendo ao mesmo tempo uma boa figura de ruído.

Formulários

Amplificadores de vídeo

Os amplificadores de vídeo são projetados para processar sinais de vídeo e têm larguras de banda variadas, dependendo se o sinal de vídeo é para SDTV, EDTV, HDTV 720p ou 1080i / p etc. A especificação da largura de banda em si depende do tipo de filtro usado - e em em que ponto ( -1 dB ou -3 dB por exemplo) a largura de banda é medida. Certos requisitos para resposta ao degrau e ultrapassagem são necessários para uma imagem de TV aceitável.

Amplificadores de micro-ondas

Amplificadores de tubo de onda viajante (TWTAs) são usados ​​para amplificação de alta potência em baixas frequências de microondas. Eles normalmente podem amplificar através de um amplo espectro de frequências; no entanto, eles geralmente não são tão sintonizáveis ​​quanto os clístrons.

Klystrons são dispositivos de vácuo de feixe linear especializados, projetados para fornecer alta potência, amplificação amplamente ajustável de ondas milimétricas e submilimétricas. Os clístrons são projetados para operações em grande escala e, apesar de terem uma largura de banda mais estreita do que os TWTAs, eles têm a vantagem de amplificar de forma coerente um sinal de referência para que sua saída possa ser controlada com precisão em amplitude, frequência e fase.

Os dispositivos de estado sólido , tais como silício curto MOSFETs canal como metal-óxido-semicondutor duplo difusa (DMOS) FETs, GaAs FETs , SiGe e GaAs heterojunção transistores bipolares / HBTs, HEMTs , diodos IMPATT , e outros, são utilizados especialmente em baixas microondas frequências e níveis de potência da ordem de watts, especificamente em aplicações como terminais / telefones celulares de RF portáteis e pontos de acesso onde o tamanho e a eficiência são os impulsionadores. Novos materiais como nitreto de gálio ( GaN ) ou GaN em silício ou em carboneto de silício / SiC estão surgindo em transistores HEMT e aplicações onde eficiência aprimorada, largura de banda ampla, operação de aproximadamente algumas dezenas de GHz com potência de saída de poucos Watts a algumas centenas de Watts são necessários.

Dependendo das especificações do amplificador e dos requisitos de tamanho, os amplificadores de microondas podem ser realizados como monoliticamente integrados, integrados como módulos ou com base em partes discretas ou qualquer combinação delas.

O maser é um amplificador de micro-ondas não eletrônico.

Amplificadores de instrumentos musicais

Os amplificadores de instrumento são uma gama de amplificadores de potência de áudio usados ​​para aumentar o nível de som de instrumentos musicais, por exemplo guitarras, durante as apresentações.

Classificação dos estágios e sistemas do amplificador

Terminal comum

Um conjunto de classificações para amplificadores é baseado em qual terminal de dispositivo é comum para o circuito de entrada e saída. No caso de transistores de junção bipolar , as três classes são emissor comum, base comum e coletor comum. Para transistores de efeito de campo , as configurações correspondentes são fonte comum, porta comum e dreno comum; para tubos de vácuo , cátodo comum, grade comum e placa comum.

O emissor comum (ou fonte comum, cátodo comum, etc.) é mais frequentemente configurado para fornecer amplificação de uma tensão aplicada entre a base e o emissor, e o sinal de saída tomado entre o coletor e o emissor é invertido, em relação à entrada. O arranjo do coletor comum aplica a tensão de entrada entre a base e o coletor, e toma a tensão de saída entre o emissor e o coletor. Isso causa feedback negativo e a tensão de saída tende a seguir a tensão de entrada. Este arranjo também é usado porque a entrada apresenta uma alta impedância e não carrega a fonte do sinal, embora a amplificação da tensão seja menor que um. O circuito coletor comum é, portanto, mais conhecido como seguidor de emissor, seguidor de fonte ou seguidor de cátodo.

Unilateral ou bilateral

Um amplificador cuja saída não exibe feedback para seu lado de entrada é descrito como 'unilateral'. A impedância de entrada de um amplificador unilateral é independente da carga e a impedância de saída é independente da impedância da fonte do sinal.

Um amplificador que usa feedback para conectar parte da saída de volta à entrada é um amplificador bilateral . A impedância de entrada do amplificador bilateral depende da carga e a impedância de saída da impedância da fonte do sinal. Todos os amplificadores são bilaterais em algum grau; no entanto, eles podem frequentemente ser modelados como unilaterais sob condições operacionais onde o feedback é pequeno o suficiente para ser negligenciado para a maioria dos propósitos, simplificando a análise (consulte o artigo de base comum para um exemplo).

Invertendo ou não invertendo

Outra maneira de classificar amplificadores é pela relação de fase do sinal de entrada com o sinal de saída. Um amplificador 'invertido' produz uma saída 180 graus fora de fase com o sinal de entrada (ou seja, uma inversão de polaridade ou imagem espelhada da entrada como vista em um osciloscópio ). Um amplificador 'não inversor' mantém a fase das formas de onda do sinal de entrada. Um seguidor de emissor é um tipo de amplificador não inversor, indicando que o sinal no emissor de um transistor está seguindo (isto é, combinando com o ganho unitário, mas talvez um deslocamento) o sinal de entrada. O seguidor de tensão também é do tipo não inversor de amplificador com ganho de unidade.

Esta descrição pode ser aplicada a um único estágio de um amplificador ou a um sistema amplificador completo.

Função

Outros amplificadores podem ser classificados por sua função ou características de saída. Essas descrições funcionais geralmente se aplicam a sistemas amplificadores ou subsistemas completos e raramente a estágios individuais.

Método de acoplamento interestadual

Os amplificadores às vezes são classificados pelo método de acoplamento do sinal na entrada, saída ou entre os estágios. Diferentes tipos destes incluem:

Amplificador acoplado resistivo-capacitivo (RC), usando uma rede de resistores e capacitores
Por design, esses amplificadores não podem amplificar sinais DC, pois os capacitores bloqueiam o componente DC do sinal de entrada. Os amplificadores acoplados a RC foram usados ​​com muita freqüência em circuitos com válvulas ou transistores discretos. Na época do circuito integrado, alguns transistores a mais em um chip eram muito mais baratos e menores do que um capacitor.
Amplificador acoplado indutivo-capacitivo (LC), usando uma rede de indutores e capacitores
Este tipo de amplificador é mais frequentemente usado em circuitos seletivos de radiofrequência.
Amplificador acoplado a transformador , usando um transformador para combinar impedâncias ou para desacoplar partes dos circuitos
Frequentemente amplificadores acoplados a LC e acoplados a transformador não podem ser distinguidos como um transformador é algum tipo de indutor.
Amplificador acoplado direto , sem impedância e componentes de combinação de polarização
Essa classe de amplificador era muito incomum na época do tubo de vácuo, quando a voltagem do ânodo (saída) era maior do que várias centenas de volts e a voltagem da grade (entrada) era alguns volts negativos. Portanto, eles só eram usados ​​se o ganho fosse especificado até DC (por exemplo, em um osciloscópio). No contexto da eletrônica moderna, os desenvolvedores são encorajados a usar amplificadores acoplados diretamente sempre que possível. Nas tecnologias FET e CMOS, o acoplamento direto é dominante, uma vez que as portas dos MOSFETs teoricamente não passam corrente por si mesmas. Portanto, o componente DC dos sinais de entrada é filtrado automaticamente.

Alcance de frequência

Dependendo da faixa de frequência e de outras propriedades, os amplificadores são projetados de acordo com princípios diferentes.

As faixas de frequência até DC são usadas apenas quando essa propriedade é necessária. Amplificadores para sinais de corrente contínua são vulneráveis ​​a pequenas variações nas propriedades dos componentes com o tempo. Métodos especiais, como amplificadores estabilizados por chopper, são usados ​​para evitar desvios indesejáveis ​​nas propriedades do amplificador para CC. Capacitores de "bloqueio DC" podem ser adicionados para remover frequências DC e subsônicas de amplificadores de áudio.

Dependendo da faixa de frequência especificada, diferentes princípios de projeto devem ser usados. Até a faixa de MHz, apenas propriedades "discretas" precisam ser consideradas; por exemplo, um terminal tem uma impedância de entrada.

Assim que qualquer conexão dentro do circuito fica mais longa do que talvez 1% do comprimento de onda da frequência especificada mais alta (por exemplo, a 100 MHz o comprimento de onda é de 3 m, então o comprimento crítico da conexão é de aproximadamente 3 cm), as propriedades do projeto mudam radicalmente. Por exemplo, um comprimento e largura especificados de um traço de PCB podem ser usados ​​como uma entidade seletiva ou de combinação de impedância. Acima de algumas centenas de MHz, fica difícil usar elementos discretos, especialmente indutores. Na maioria dos casos, são usados ​​traços de PCB de formas bem definidas ( técnicas de stripline ).

A faixa de frequência tratada por um amplificador pode ser especificada em termos de largura de banda (normalmente implicando em uma resposta que é 3  dB para baixo quando a frequência atinge a largura de banda especificada), ou especificando uma resposta de frequência que está dentro de um certo número de decibéis entre um e uma frequência superior (por exemplo, "20 Hz a 20 kHz mais ou menos 1 dB").

Classes de amplificadores de potência

Os circuitos do amplificador de potência (estágios de saída) são classificados como A, B, AB e C para projetos analógicos - e classes D e E para projetos de comutação. As classes de amplificadores de potência são baseadas na proporção de cada ciclo de entrada (ângulo de condução) durante o qual um dispositivo de amplificação passa a corrente. A imagem do ângulo de condução deriva da amplificação de um sinal sinusoidal. Se o dispositivo estiver sempre ligado, o ângulo de condução é 360 °. Se estiver ativado apenas na metade de cada ciclo, o ângulo é de 180 °. O ângulo de fluxo está intimamente relacionado à eficiência de potência do amplificador .

Circuito amplificador de exemplo

Um diagrama de circuito eletrônico, incluindo resistores, capacitores, transistores e diodos
Um circuito amplificador prático

O circuito amplificador prático mostrado acima pode ser a base para um amplificador de áudio de potência moderada. Ele apresenta um design típico (embora substancialmente simplificado), como encontrado em amplificadores modernos, com um estágio de saída push-pull classe AB e usa algum feedback negativo geral. Os transistores bipolares são mostrados, mas esse projeto também pode ser realizado com FETs ou válvulas.

O sinal de entrada é acoplado através do capacitor C1 à base do transistor Q1. O capacitor permite que o sinal AC passe, mas bloqueia a tensão de polarização DC estabelecida pelos resistores R1 e R2 para que nenhum circuito anterior seja afetado por ele. Q1 e Q2 formam um amplificador diferencial (um amplificador que multiplica a diferença entre duas entradas por alguma constante), em um arranjo conhecido como par de cauda longa . Este arranjo é usado para permitir convenientemente o uso de feedback negativo, que é alimentado da saída para Q2 via R7 e R8.

O feedback negativo no amplificador de diferença permite que o amplificador compare a entrada com a saída real. O sinal amplificado de Q1 é alimentado diretamente para o segundo estágio, Q3, que é um estágio emissor comum que fornece amplificação adicional do sinal e polarização DC para os estágios de saída, Q4 e Q5. R6 fornece a carga para Q3 (um projeto melhor provavelmente usaria alguma forma de carga ativa aqui, como um dissipador de corrente constante). Até agora, todo o amplificador está operando na classe A. O par de saída é organizado em push-pull classe AB, também chamado de par complementar. Eles fornecem a maior parte da amplificação de corrente (enquanto consomem baixa corrente quiescente) e conduzem diretamente a carga, conectados por meio do capacitor C2 de bloqueio CC. Os diodos D1 e D2 fornecem uma pequena quantidade de polarização de tensão constante para o par de saída, apenas polarizando-os no estado de condução de modo que a distorção cruzada seja minimizada. Ou seja, os diodos empurram o estágio de saída firmemente para o modo classe AB (assumindo que a queda do emissor de base dos transistores de saída é reduzida pela dissipação de calor).

Este design é simples, mas uma boa base para um design prático porque estabiliza automaticamente seu ponto de operação, uma vez que o feedback opera internamente de DC até a faixa de áudio e além. Outros elementos de circuito provavelmente seriam encontrados em um projeto real que eliminaria a resposta de frequência acima da faixa necessária para evitar a possibilidade de oscilação indesejada . Além disso, o uso de polarização de diodo fixo como mostrado aqui pode causar problemas se os diodos não forem eletricamente e termicamente combinados com os transistores de saída - se os transistores de saída ligarem muito, eles podem facilmente superaquecer e destruir-se, como a corrente total da fonte de alimentação não é limitada neste estágio.

Uma solução comum para ajudar a estabilizar os dispositivos de saída é incluir alguns resistores de emissor, normalmente um ohm ou algo assim. O cálculo dos valores dos resistores e capacitores do circuito é feito com base nos componentes empregados e no uso pretendido do amplificador.

Notas sobre implementação

Qualquer amplificador real é uma realização imperfeita de um amplificador ideal. Uma limitação importante de um amplificador real é que a saída que ele gera é limitada pela potência disponível da fonte de alimentação. Um amplificador satura e corta a saída se o sinal de entrada se tornar muito grande para o amplificador reproduzir ou exceder os limites operacionais do dispositivo. A fonte de alimentação pode influenciar a saída, portanto, deve ser considerada no projeto. A potência de saída de um amplificador não pode exceder sua potência de entrada.

O circuito do amplificador tem um desempenho de "loop aberto". Isso é descrito por vários parâmetros (ganho, taxa de variação , impedância de saída , distorção , largura de banda , relação sinal-ruído , etc.). Muitos amplificadores modernos usam técnicas de feedback negativo para manter o ganho no valor desejado e reduzir a distorção. O feedback de loop negativo tem o efeito pretendido de diminuir a impedância de saída e, assim, aumentar o amortecimento elétrico do movimento do alto-falante na e próximo à frequência de ressonância do alto-falante.

Ao avaliar a saída de potência nominal do amplificador, é útil considerar a carga aplicada, o tipo de sinal (por exemplo, fala ou música), a duração da potência de saída necessária (ou seja, curto ou contínuo) e a faixa dinâmica necessária (por exemplo, gravada ou áudio ao vivo). Em aplicações de áudio de alta potência que requerem cabos longos para a carga (por exemplo, cinemas e shopping centers), pode ser mais eficiente conectar-se à carga na tensão de saída da linha, com transformadores correspondentes na fonte e nas cargas. Isso evita longas extensões de cabos de alto-falantes pesados.

Para evitar instabilidade ou superaquecimento, é necessário ter cuidado para garantir que os amplificadores de estado sólido sejam carregados adequadamente. A maioria tem uma impedância de carga mínima nominal.

Todos os amplificadores geram calor por meio de perdas elétricas. O amplificador deve dissipar esse calor por convecção ou resfriamento com ar forçado. O calor pode danificar ou reduzir a vida útil dos componentes eletrônicos. Os projetistas e instaladores também devem considerar os efeitos do aquecimento no equipamento adjacente.

Diferentes tipos de fonte de alimentação resultam em muitos métodos diferentes de polarização . Bias é uma técnica pela qual os dispositivos ativos são configurados para operar em uma determinada região, ou pela qual o componente DC do sinal de saída é configurado para o ponto médio entre as tensões máximas disponíveis da fonte de alimentação. A maioria dos amplificadores usa vários dispositivos em cada estágio; eles são normalmente combinados nas especificações, exceto pela polaridade. Os dispositivos de polaridade invertida são chamados de pares complementares. Os amplificadores Classe A geralmente usam apenas um dispositivo, a menos que a fonte de alimentação seja configurada para fornecer tensões positivas e negativas, caso em que um design simétrico de dispositivo duplo pode ser usado. Os amplificadores Classe C, por definição, usam uma fonte de polaridade única.

Os amplificadores geralmente têm vários estágios em cascata para aumentar o ganho. Cada estágio desses projetos pode ser um tipo diferente de amplificador para atender às necessidades desse estágio. Por exemplo, o primeiro estágio pode ser um estágio de classe A, alimentando um segundo estágio push-pull de classe AB, que então conduz um estágio de saída final de classe G, aproveitando os pontos fortes de cada tipo, enquanto minimiza seus pontos fracos.

Veja também

Referências

links externos