Comprendre les circuits d'amplification

En général, un amplificateur peut être défini comme un circuit conçu pour amplifier un signal d'entrée de faible puissance appliqué en un signal de sortie de puissance élevée, selon le calibre spécifié des composants.

Bien que la fonction de base reste la même, les amplificateurs peuvent être classés en différentes catégories en fonction de leur conception et de leurs configurations.

Circuits pour amplifier les entrées logiques

Vous avez peut-être rencontré des amplificateurs à transistor unique qui sont configurés pour fonctionner et amplifier une logique de signal faible à partir de dispositifs de détection d'entrée tels que LDR, photodiodes , Appareils IR La sortie de ces amplificateurs est alors utilisée pour commuter un Tongues ou un relais ON / OFF en réponse aux signaux des capteurs.

Vous avez peut-être également vu de petits amplificateurs utilisés pour préamplifier une musique ou une entrée audio, ou pour faire fonctionner une lampe LED.
Tous ceux-ci petits amplificateurs sont classés comme petits amplificateurs de signal.

Types d'amplificateurs

Principalement, des circuits amplificateurs sont incorporés pour amplifier une fréquence musicale de telle sorte que la petite entrée musicale alimentée soit amplifiée en de nombreux plis, normalement 100 fois à 1000 fois et reproduite sur un haut-parleur.

En fonction de leur puissance ou de leur puissance nominale, ces circuits peuvent avoir des conceptions allant de petits amplificateurs de signal basés sur un amplificateur opérationnel à de grands amplificateurs de signal qui sont également appelés amplificateurs de puissance.Ces amplificateurs sont techniquement classés en fonction de leurs principes de fonctionnement, de leurs étages de circuit et de la manière dont ils fonctionnent. dont ils peuvent être configurés pour traiter la fonction d'amplification.

Le tableau suivant nous fournit les détails de classification des amplificateurs en fonction de leurs spécifications techniques et de leur principe de fonctionnement:

Dans une conception d'amplificateur de base, nous constatons qu'il comprend principalement quelques étages ayant des réseaux de transistors bipolaires ou BJT, de transistors à effet de champ (FET) ou d'amplificateurs opérationnels.

De tels blocs ou modules amplificateurs peuvent être vus ayant un couple de bornes pour fournir le signal d'entrée, et une autre paire de bornes à la sortie pour acquérir le signal amplifié sur un haut-parleur connecté.

L'une des bornes parmi ces deux est les bornes de masse et pourrait être considérée comme une ligne commune entre les étages d'entrée et de sortie.

Trois propriétés d'un amplificateur

Les trois propriétés importantes qu'un amplificateur idéal devrait avoir sont:

• Résistance d'entrée (Rin)
• Résistance de sortie (Rout)
• Gain (A) qui est la plage d'amplification de l'amplificateur.

Comprendre le fonctionnement d'un amplificateur idéal

La différence du signal amplifié entre la sortie et l'entrée est appelée gain de l'amplificateur. C'est l'amplitude ou la quantité par laquelle l'amplificateur est capable d'amplifier le signal d'entrée sur ses bornes de sortie.

Prenez par exemple, si un amplificateur est conçu pour traiter un signal d'entrée de 1 volt en un signal amplifié de 50 volts, alors nous dirions que l'amplificateur a un gain de 50, c'est aussi simple que cela.
Cette amélioration d'un signal d'entrée bas vers un signal de sortie plus élevé est appelée Gain d'un amplificateur. En variante, cela peut être compris comme une augmentation du signal d'entrée d'un facteur 50.

Rapport de gain Ainsi, le gain d'un amplificateur est essentiellement le rapport des valeurs de sortie et d'entrée des niveaux de signal, ou simplement la puissance de sortie divisée par la puissance d'entrée, et est attribué par la lettre `` A '' qui signifie également la puissance d'amplification de l'amplificateur.

Types de gains d'amplificateur Les différents types de gains d'amplification peuvent être classés comme suit:

1. Gain de tension (désactivé)
2. Gain actuel (Ai)
3. Gain de puissance (Ap)

Exemples de formules pour le calcul des gains d'amplificateur En fonction des 3 types de gains ci-dessus, les formules de calcul de ceux-ci pourraient être tirées des exemples suivants:

1. Gain de tension (Av) = tension de sortie / tension d'entrée = Vout / Vin
2. Gain de courant (Ai) = courant de sortie / courant d'entrée = Iout / Iin
3. Gain de puissance (Ap) = Av.x.A je

Pour calculer le gain de puissance, vous pouvez également utiliser la formule:
Gain de puissance (Ap) = Puissance de sortie / Puissance d'entrée = Aout / Ain

Il serait important de noter que l'indice p, v, i utilisés pour calculer la puissance sont affectés pour identifier le type spécifique de gain de signal sur lequel on travaille.

Exprimer les décibels

Vous trouverez une autre méthode pour exprimer le gain de puissance d'un amplificateur, qui est en décibels ou (dB).
La mesure ou la quantité Bel (B) est une unité logarithmique (Base 10) qui n'a pas d'unité de mesure.
Cependant, un décibel peut être une unité trop grande pour une utilisation pratique, nous utilisons donc la version abaissée décibel (dB) pour les calculs d'amplificateur.
Voici quelques formules qui peuvent être utilisées pour mesurer le gain de l'amplificateur en décibels:

1. Gain de tension en dB: off = 20 * log (Off)
2. Gain actuel en dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Gain de puissance en dB: ap = 10 * log (Ap)

Quelques faits sur la mesure dB
Il serait important de noter que le gain de puissance CC d'un amplificateur est 10 fois le log commun de son rapport sortie / entrée, alors que les gains de courant et de tension sont 20 fois le log commun de leurs rapports.

Cela implique que parce qu'une échelle logarithmique est impliquée, un gain de 20 dB ne peut pas être considéré comme le double de 10 dB, en raison de la caractéristique de mesure non linéaire des échelles logarithmiques.

Lorsque le gain est mesuré en dB, des valeurs positives signifient le gain de l'amplificateur tandis qu'une valeur dB négative indique une perte de gain de l'amplificateur.

Par exemple, si un gain de +3 dB est identifié, cela indique un gain de 2 fois ou x2 de la sortie de l'amplificateur particulier.

Inversement, si le résultat est -3 dB, cela indique que l'amplificateur a une perte de gain de 50% ou une mesure de perte x0,5 dans son gain. Ceci est également appelé point de demi-puissance, ce qui signifie -3 dB inférieur à la puissance maximale réalisable, par rapport à 0 dB qui est la sortie maximale possible de l'amplificateur.

Calcul des amplificateurs

Calculez la tension, le courant et le gain de puissance d'un amplificateur avec les spécifications suivantes: Signal d'entrée = 10 mV @ 1 mA Signal de sortie = 1 V @ 10 mA En outre, découvrez le gain de l'amplificateur en utilisant des valeurs de décibel (dB).

Solution:

En appliquant les formules apprises ci-dessus, nous pouvons évaluer les différents types de gains associés à l'amplificateur selon les spécifications d'entrée-sortie en main:

Gain de tension (Av) = tension de sortie / tension d'entrée = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Gain de courant (Ai) = courant de sortie / courant d'entrée = Iout / Iin = 10/1 = 10
Gain de puissance (Ap) = Av. x A je = 100 x 10 = 1 000

Pour obtenir les résultats en décibels, nous appliquons les formules correspondantes ci-dessous:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Subdivisions d'amplificateur

Petits amplificateurs de signal: En ce qui concerne les spécifications de gain de puissance et de tension d'un amplificateur, il devient possible pour nous de les subdiviser en deux catégories diverses.

Le premier type est appelé petit amplificateur de signal. Ces petits amplificateurs de signal sont généralement utilisés dans les étages de préamplificateur, les amplis d'instrumentation, etc.

Ces types d'amplificateurs sont créés pour gérer des niveaux de signal infimes à leurs entrées, dans la plage de certains micro volts, tels que ceux provenant de capteurs ou d'entrées de petits signaux audio.

Grands amplificateurs de signal: Le deuxième type d'amplificateurs est appelé grands amplificateurs de signal et, comme son nom l'indique, ils sont utilisés dans les applications d'amplificateurs de puissance pour atteindre d'énormes plages d'amplification. Dans ces amplificateurs, le signal d'entrée est d'une amplitude relativement plus grande, de sorte qu'ils pourraient être sensiblement amplifiés pour les reproduire et les entraîner dans des haut-parleurs puissants.

Comment fonctionnent les amplificateurs de puissance

Étant donné que les petits amplificateurs de signaux sont conçus pour traiter de petites tensions d'entrée, on les appelle de petits amplificateurs de signaux. Cependant, lorsqu'un amplificateur doit fonctionner avec des applications à courant de commutation élevé à leurs sorties, comme le fonctionnement d'un moteur ou l'utilisation de subwoofers, un amplificateur de puissance devient inévitable.

Le plus couramment, les amplificateurs de puissance sont utilisés comme amplificateurs audio pour piloter de gros haut-parleurs et pour obtenir d'énormes amplifications de niveau de musique et de sortie de volume.

L'amplificateur de puissance nécessite une alimentation CC externe pour son fonctionnement, et cette puissance CC est utilisée pour obtenir l'amplification haute puissance prévue à leur sortie. L'alimentation CC est généralement dérivée d'alimentations haute tension à courant élevé via des transformateurs ou des unités SMPS.

Bien que les amplificateurs de puissance puissent amplifier le signal d'entrée inférieur en signaux de sortie élevés, la procédure n'est en fait pas très efficace. En effet, dans le processus, une quantité substantielle de courant continu est gaspillée sous forme de dissipation thermique.

Nous savons qu'un amplificateur idéal produirait une sortie presque égale à la puissance consommée, résultant en un rendement de 100%. Cependant, dans la pratique, cela semble assez lointain et peut ne pas être faisable, en raison des pertes de puissance CC inhérentes des dispositifs d'alimentation sous forme de chaleur.

Efficacité d'un amplificateur À partir des considérations ci-dessus, nous pouvons exprimer l'efficacité d'un amplificateur comme suit:

Efficacité = Puissance de sortie de l'amplificateur / Consommation CC de l'amplificateur = Pout / Pin

Amplificateur idéal

En référence à la discussion ci-dessus, il peut être possible pour nous de décrire les principales caractéristiques d'un amplificateur idéal. Ils sont spécifiquement comme expliqué ci-dessous:

Le gain (A) d'un amplificateur idéal doit être constant indépendamment d'un signal d'entrée variable.

1. Le gain reste constant quelle que soit la fréquence du signal d'entrée, ce qui permet à l'amplification de sortie de ne pas être affectée.
2. La sortie de l'amplificateur est exempte de tout type de bruit pendant le processus d'amplification, au contraire, elle incorpore une fonction de réduction du bruit annulant tout bruit éventuel introduit par la source d'entrée.
3. Il reste insensible aux variations de la température ambiante ou de la température atmosphérique.
4. Une utilisation à long terme a un effet minime ou nul sur les performances de l'amplificateur et reste cohérente.

Classification des amplificateurs électroniques

Qu'il s'agisse d'un amplificateur de tension ou d'un amplificateur de puissance, ceux-ci sont classés en fonction de leurs caractéristiques de signal d'entrée et de sortie. Cela se fait en analysant le flux de courant par rapport au signal de signal d'entrée et le temps nécessaire pour qu'il atteigne la sortie.

En fonction de leur configuration de circuit, les amplificateurs de puissance peuvent être classés par ordre alphabétique. Ils sont affectés à différentes classes opérationnelles telles que:

Classe A'
Classe 'B'
Classe 'C'
Classe «AB» et ainsi de suite.

Ceux-ci peuvent avoir des propriétés allant d'une réponse de sortie presque linéaire mais d'une efficacité plutôt faible à une réponse de sortie non linéaire avec un rendement élevé.

Aucune de ces classes d'amplificateurs ne peut être distinguée comme étant plus pauvres ou meilleures les unes que les autres, car chacune a son propre domaine d'application spécifique en fonction des besoins.

Vous pouvez trouver des efficacités de conversion optimales pour chacun d'entre eux, et leur popularité peut être identifiée dans l'ordre suivant:

Amplificateurs de classe «A»: le rendement est généralement inférieur à 40%, mais peut montrer une sortie de signal linéaire améliorée.

Amplificateurs de classe «B»: le taux de rendement peut être deux fois supérieur à celui de la classe A, pratiquement autour de 70%, du fait que seuls les appareils actifs de l'amplificateur consomment de l'énergie, ce qui ne cause que 50% de consommation d'énergie.

Amplificateurs de classe 'AB': les amplificateurs de cette catégorie ont un niveau d'efficacité quelque part entre celui de la classe A et de la classe B, mais la reproduction du signal est moins bonne que celle de la classe A.

Amplificateurs de classe «C»: ils sont considérés comme exceptionnellement efficaces en termes de consommation d'énergie, mais la reproduction du signal est pire avec beaucoup de distorsion, ce qui entraîne une très mauvaise réplication des caractéristiques du signal d'entrée.

Comment fonctionnent les amplificateurs de classe A:

Les amplificateurs de classe A ont des transistors polarisés idéalement dans la région active, ce qui permet au signal d'entrée d'être amplifié avec précision en sortie.

En raison de cette fonction de polarisation parfaite, les transistors ne sont jamais autorisés à dériver vers leurs régions de coupure ou de saturation excessive, ce qui entraîne une amplification du signal correctement optimisée et centrée entre les limites supérieure et inférieure spécifiées du signal, comme indiqué ci-dessous. image:

Dans la configuration de classe A, des ensembles identiques de transistors sont appliqués sur deux moitiés de la forme d'onde de sortie. Et selon le type de polarisation qu'il utilise, les transistors de puissance de sortie sont toujours rendus dans la position ON, indépendamment du fait que le signal d'entrée soit appliqué ou non.

Pour cette raison, les amplificateurs de classe A obtiennent un rendement extrêmement faible en termes de consommation d'énergie, car la fourniture réelle d'énergie à la sortie est entravée en raison d'un gaspillage excessif dû à la dissipation de l'appareil.

Avec la situation expliquée ci-dessus, les amplificateurs de classe peuvent être vus ayant toujours des transistors de puissance de sortie chauffés même en l'absence d'un signal d'entrée.

Même s'il n'y a pas de signal d'entrée, le CC (Ic) de l'alimentation est autorisé à circuler à travers les transistors de puissance, ce qui peut être égal au courant circulant dans le haut-parleur lorsque le signal d'entrée était présent. Cela donne lieu à des transistors «chauds» continus et à un gaspillage d'énergie.

Fonctionnement de l'amplificateur de classe B

Contrairement à la configuration d'amplificateur de classe A qui dépend de transistors de puissance uniques, la classe B utilise une paire de BJT complémentaires sur chaque demi-section du circuit. Ceux-ci peuvent être sous la forme de NPN / PNP ou de mosfet à canal N / mosfet à canal P).

Ici, l'un des transistors est autorisé à conduire en réponse au demi-cycle de forme d'onde du signal d'entrée, tandis que l'autre transistor gère l'autre demi-cycle de la forme d'onde.

Cela garantit que chaque transistor de la paire conduit pendant la moitié du temps dans la région active et la moitié du temps dans la région de coupure, permettant ainsi une implication de 50% seulement dans l'amplification du signal.

Contrairement aux amplificateurs de classe A, dans les amplificateurs de classe B, les transistors de puissance ne sont pas polarisés avec un courant continu direct, mais la configuration garantit qu'ils ne conduisent que pendant que le signal d'entrée dépasse la tension de base de l'émetteur, qui pourrait être d'environ 0,6 V pour les BJT en silicium.

Cela implique que, lorsqu'il n'y a pas de signal d'entrée, les BJT restent éteints et le courant de sortie est nul. Et pour cette raison, seulement 50% du signal d'entrée est autorisé à entrer dans la sortie à tout moment, ce qui permet un taux d'efficacité bien meilleur pour ces amplificateurs. Le résultat peut être vu dans le diagramme suivant:

Comme il n'y a pas d'implication directe du courant continu pour polariser les transistors de puissance dans les amplificateurs de classe B, afin d'initier la conduction en réponse à chaque demi-cycle de forme d'onde +/-, il devient impératif pour leur base / émetteur. Vbe pour acquérir un potentiel supérieur à 0,6 V (valeur de polarisation de base standard pour les BJT)

En raison du fait ci-dessus, cela implique que tant que la forme d'onde de sortie est inférieure à la marque 0,6 V, elle ne peut pas être amplifiée et reproduite.

Ceci donne lieu à une région déformée pour la forme d'onde de sortie, juste pendant la période où l'un des BJT devient désactivé et attend que l'autre se rallume.

Il en résulte qu'une petite section de la forme d'onde est soumise à une distorsion mineure pendant la période de croisement ou la période de transition proche du passage à zéro, exactement au moment où le passage d'un transistor à l'autre se produit sur des paires complémentaires.

Fonctionnement de l'amplificateur de classe AB

L'amplificateur de classe AB est construit en utilisant un mélange de caractéristiques de circuits de classe A et de classe B, d'où le nom de classe AB.

Bien que la conception de classe AB fonctionne également avec une paire de BJT complémentaires, l'étage de sortie garantit que la polarisation des BJT de puissance est contrôlée à proximité du seuil de coupure, en l'absence d'un signal d'entrée.

Dans cette situation, dès qu'un signal d'entrée est détecté, les transistors commencent à fonctionner normalement dans leur région active, inhibant ainsi toute possibilité de distorsion croisée, qui prévaut normalement dans les configurations de classe B. Cependant, il pourrait y avoir une légère quantité de courant de collecteur passant à travers les BJT, la quantité peut être considérée comme négligeable par rapport aux conceptions de classe A.

Les amplificateurs de classe AB présentent un taux d'efficacité nettement amélioré et une réponse linéaire par rapport à leur homologue de classe A.

Forme d'onde de sortie de l'amplificateur de classe AB

La classe d'amplificateur est un paramètre important qui dépend de la façon dont les transistors sont polarisés par l'amplitude du signal d'entrée, pour mettre en œuvre le processus d'amplification.

Il dépend de la quantité de l'amplitude de la forme d'onde du signal d'entrée utilisée pour que les transistors conduisent, ainsi que du facteur d'efficacité, qui est déterminé par la quantité d'énergie réellement utilisée pour fournir la sortie et / ou gaspillée par dissipation.

En ce qui concerne ces facteurs, nous pouvons enfin créer un rapport de comparaison montrant les différences entre les différentes classes d'amplificateurs, comme indiqué dans le tableau suivant.

Ensuite, nous pouvons faire une comparaison entre les types les plus courants de classifications d'amplificateurs dans le tableau suivant.

Classes d'amplificateurs de puissance

Dernières pensées

Si un amplificateur n'est pas conçu correctement, comme par exemple une conception d'amplificateur de classe A, peut exiger une dissipation thermique importante des dispositifs d'alimentation, ainsi que des ventilateurs de refroidissement pour les opérations. De telles conceptions nécessiteront également des entrées d'alimentation plus importantes pour compenser les énormes quantités d'énergie gaspillées en chaleur. Tous ces inconvénients peuvent rendre ces amplificateurs très inefficaces, ce qui peut à son tour provoquer une détérioration progressive des dispositifs et éventuellement des pannes.

Par conséquent, il peut être conseillé d'opter pour un amplificateur de classe B conçu avec un rendement plus élevé d'environ 70% par rapport à 40% d'un amplificateur de classe A. Cela dit, l'amplificateur de classe A peut promettre une réponse plus linéaire avec son amplification et une réponse en fréquence plus large, bien que cela entraîne un gaspillage d'énergie substantiel.