Amplificador

Um amplificador de áudio estéreo McIntosh com potência de saída de 50 watts por canal usado em sistemas de áudio de componentes domésticos na década de 1970.

Amplificação significa aumentar a amplitude (tensão ou corrente) de um sinal de tempo-varying por um dado fator, como mostrado aqui. O gráfico mostra a entrada vEu...())(t)} (azul) e tensão de saída vo())(t)} (vermelho) de um amplificador linear ideal com um sinal arbitrário aplicado como entrada. Neste exemplo o amplificador tem um ganho de tensão de 3; isso é em qualquer instante vo())= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =3vEu...()){displaystyle v_{o}(t)=3v_{i}(t),}

Um amplificador, amplificador eletrônico ou (informalmente) amp é um dispositivo eletrônico que pode aumentar a potência de um sinal (um tensão ou corrente variável). É um circuito eletrônico de duas portas que utiliza a energia elétrica de uma fonte de alimentação para aumentar a amplitude (magnitude da tensão ou corrente) de um sinal aplicado em 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 relação entre tensão de saída, corrente ou potência de entrada. Um amplificador é um circuito que tem um ganho de potência maior que um.

Um amplificador pode ser um equipamento separado ou um circuito elétrico contido em outro dispositivo. A amplificação é fundamental para a eletrônica moderna, e os amplificadores são amplamente utilizados em quase todos os equipamentos eletrônicos. Os amplificadores podem ser classificados de diferentes maneiras. Uma delas é pela frequência do sinal eletrônico que está sendo amplificado. Por exemplo, amplificadores de áudio amplificam sinais na faixa de áudio (som) inferior a 20 kHz, amplificadores de RF amplificam frequências na faixa de radiofrequência entre 20 kHz e 300 GHz, e servoamplificadores e amplificadores de instrumentação podem funcionar com frequências muito baixas até corrente direta. Os amplificadores também podem ser categorizados por sua colocação 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 de 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 os anos 1960-1970, quando os transistores substituíram eles. Hoje, a maioria dos amplificadores usa transistores, mas os tubos de vácuo continuam a ser usados em algumas aplicações.

Amplificador de áudio protótipo de De Forest de 1914. O tubo de vácuo Audion (triode) tinha um ganho de tensão 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 do telefone, patenteado 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 nas estações que reabasteciam a energia dissipada operando um registrador de sinal e um transmissor lado a lado, formando um relé, de modo que uma fonte de energia local em cada estação intermediária alimentasse a próxima etapa da transmissão. transmissão. Para transmissão duplex, ou seja, envio e recebimento em ambas as direções, os repetidores de relé bidirecional foram desenvolvidos a partir do trabalho de C. F. Varley para transmissão telegráfica. A transmissão duplex era essencial para a telefonia e o problema não foi resolvido satisfatoriamente até 1904, quando H. E. Shreeve, da American Telephone and Telegraph Company, aprimorou as tentativas existentes de construir um repetidor de telefone consistindo em pares de transmissores de grânulos de carbono e receptores eletrodinâmicos. 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 repetidores, com pouco sucesso.

O desenvolvimento de válvulas termiônicas começando por volta de 1902 forneceu um método totalmente 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 utilizado para fortalecer um sinal era o relé usado em sistemas de telégrafo, 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 esta nova capacidade por volta de 1915, quando os triodos se tornaram difundidos.

O tubo de vácuo amplificador revolucionou a tecnologia elétrica, criando o novo campo da eletrônica, a tecnologia de dispositivos elétricos ativos. Tornou possível linhas telefônicas de longa distância, sistemas de alto-falantes, transmissão de rádio, filmes falados, gravação de áudio prática, radar, televisão e os primeiros computadores. Por 50 anos, praticamente todos os dispositivos eletrônicos de consumo usaram tubos de vácuo. Os primeiros amplificadores valvulados geralmente tinham feedback positivo (regeneração), o que poderia aumentar o ganho, mas também tornar o amplificador instável e propenso a oscilações. Grande parte da teoria matemática dos amplificadores foi desenvolvida nos 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 de dispositivos de energia especializados, como o amplificador magnético e a amplidina, 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 operacionais mais altas. Os antigos repetidores de carbono eletroacústico Shreeve foram 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 funcional foi um transistor de ponto de contato inventado por John Bardeen e Walter Brattain em 1947 no Bell Labs, onde William Shockley mais tarde inventou o transistor de junção bipolar (BJT) em 1948. Eles foram seguidos pela invenção do metal Transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido (MOSFET) por Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng no Bell Labs em 1959. Devido ao dimensionamento do MOSFET, a capacidade de reduzir para tamanhos cada vez menores, o MOSFET desde então se tornou o amplificador mais amplamente utilizado.

A substituição dos volumosos tubos de elétrons 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 aplicações de alta potência, como transmissores de rádio.

A partir da década de 1970, mais e mais transistores foram conectados em um único chip, criando assim escalas mais altas de integração (como integração de 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 primórdios da comunicação via satélite, eram 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 fornecia energia que era modulada pelo sinal de satélite extremamente fraco recebido na estação terrena.

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

Ideal

Os quatro tipos de fonte dependente - variável de controle na esquerda, variável de saída na 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 sendo uma entrada de tensão, que não recebe corrente, com a saída proporcional à tensão na porta; ou uma entrada de corrente, sem tensão através dela, 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 escolhas levam a quatro tipos de amplificadores ideais. Na forma idealizada eles são representados por cada um dos quatro tipos de fonte dependente usados na análise linear, conforme mostrado na figura, a saber:

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

Em amplificadores reais as impedâncias ideais não são possíveis de serem alcançadas, 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 em particular, uma análise de pequenos sinais é freqüentemente usada para encontrar a impedância real. Uma corrente de teste AC de pequeno sinal I_x é aplicada ao nó de entrada ou saída, todas as fontes externas são definidas como AC zero e a tensão alternada correspondente V _x na fonte de corrente de teste determina a impedância vista naquele 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 enquadram nessa abordagem de classificação. Ao invés de lidar com tensão ou corrente individualmente, eles idealmente acoplam com uma impedância de entrada ou saída correspondente à impedância da linha de transmissão, ou seja, combinam proporções de tensão para corrente. Muitos amplificadores de RF reais se aproximam desse ideal. Embora, para uma determinada fonte e impedância de carga apropriadas, os amplificadores de RF possam ser caracterizados como amplificadores de tensão ou corrente, eles são fundamentalmente amplificadores de potência.

Propriedades

As propriedades do amplificador são dadas por parâmetros que incluem:

• Ganho, a relação entre a magnitude de saída e sinais de entrada
• Largura de banda, a largura da faixa de frequência útil
• Eficiência, a relação entre a potência da saída e consumo total de energia
• Linearidade, a extensão em que a proporção entre a entrada e a amplitude de saída é a mesma para a entrada de alta amplitude e baixa amplitude
• Ruído, uma medida de ruído indesejado misturado na saída
• Faixa dinâmica de saída, a proporção dos maiores e os menores níveis de saída úteis
• Taxa de ruído, a taxa máxima de mudança da saída
• Tempo de elevação, tempo de fixação, toque e overshoot que caracterizam a resposta passo
• Estabilidade, a capacidade de evitar auto- oscilação

Amplificadores são descritos de acordo com as propriedades de suas entradas, suas saídas e como eles se relacionam. Todos os amplificadores possuem ganho, um fator de multiplicação que relaciona a magnitude de alguma propriedade do sinal de saída com 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 são projetados para serem lineares. 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. Certas aplicações de processamento de sinal usam amplificadores de ganho exponencial.

Os amplificadores geralmente são projetados para funcionar bem em uma aplicação específica, por exemplo: transmissores e receptores de rádio e televisão, equipamento estéreo de alta fidelidade ("hi-fi"), 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.

Feedback negativo

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 realimentação negativa, 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 eles não fazem parte da entrada original, eles são adicionados à entrada na 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 os 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 pelos componentes no loop de feedback. Esta técnica é particularmente utilizada com amplificadores operacionais (op-amps).

Amplificadores sem feedback podem atingir apenas cerca de 1% de distorção para sinais de frequência de áudio. Com feedback negativo, a distorção normalmente pode ser reduzida para 0,001%. O ruído, mesmo a distorção cruzada, pode ser praticamente eliminado. O feedback negativo também compensa a mudança de temperatura e a degradação ou componentes não lineares no estágio de ganho, mas qualquer mudança ou não linearidade nos componentes no loop de feedback afetará a saída. De fato, a capacidade do loop de realimentação de definir a saída é usada para criar circuitos de filtro ativos.

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

O feedback negativo pode ser aplicado em cada estágio de um amplificador para estabilizar o ponto de operação de dispositivos ativos contra pequenas alterações na tensão 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 capacitância inerente entre entrada e saída de dispositivos como transistores e acoplamento capacitivo de fiação externa. O feedback positivo excessivo dependente da frequência pode produzir oscilação parasita 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 transistorizados (ou amplificadores de estado sólido) são o tipo mais comum de amplificador em uso atualmente. 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 micro-ondas, como transmissores de rádio.

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

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

Amplificadores magnéticos são dispositivos um pouco 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 de amplificadores de semicondutores, mas ainda são úteis no controle HVDC e em circuitos de controle de energia nuclear devido a não serem afetados pela radioatividade.

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

Amplificadores de potência

Amplificador de energia pela 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 amplificadores de áudio e instrumentação normalmente otimizam a impedância de entrada e saída para carga mínima e maior integridade do sinal. Um amplificador que supostamente tem um ganho de 20 dB pode ter um ganho de tensão 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 kΩ 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 energia. As considerações de eficiência levam às várias classes de amplificadores de potência com base na polarização dos transistores ou válvulas de saída: veja as classes de amplificadores de potência abaixo.

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

Amplificadores operacionais (op-amps)

Um LM741 finalidade geral op-amp

Um amplificador operacional é um circuito amplificador que normalmente possui ganho de malha aberta muito alto e entradas diferenciais. Os amplificadores operacionais tornaram-se amplamente usados como "blocos de ganho" em circuitos pela 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 original do amplificador operacional usava válvulas e os projetos posteriores usavam circuitos de transistores discretos.

Um amplificador totalmente diferencial é semelhante ao amplificador operacional, mas também possui saídas diferenciais. Estes são geralmente 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 do tipo balanceado com a entrada em uma extremidade e apenas 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 é adicionado linearmente à saída, em vez de multiplicar um pelo outro, como em uma configuração em cascata. Isso permite que uma largura de banda maior seja alcançada do que poderia ser obtida, mesmo com os mesmos elementos de estágio de ganho.

Amplificadores de modo comutado

Esses amplificadores não lineares têm eficiências muito maiores do que os amplificadores lineares e são usados onde a economia de energia justifica a complexidade extra. Os amplificadores 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 e a porta do transistor para transformar uma impedância capacitiva na fonte do transistor em uma resistência negativa em sua porta. Em comparação com outros tipos de amplificadores, este "amplificador de resistência negativa" exigirá apenas uma pequena quantidade de energia para obter um ganho muito alto, mantendo uma boa figura de ruído ao mesmo tempo.

Aplicativos

Amplificadores de vídeo

Amplificadores de vídeo são projetados para processar sinais de vídeo e possuem 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 que ponto (-1 dB ou -3 dB por exemplo) a largura de banda é medida. Certos requisitos para resposta ao degrau e overshoot são necessários para uma imagem de TV aceitável.

Amplificadores de microondas

Amplificadores de tubo de ondas viajantes (TWTAs) são usados para amplificação de alta potência em baixas frequências de micro-ondas. Eles normalmente podem amplificar em um amplo espectro de frequências; no entanto, eles geralmente não são tão sintonizáveis quanto os klystrons.

Klystrons são dispositivos de vácuo de feixe linear especializados, projetados para fornecer amplificação de alta potência e amplamente sintonizável de ondas milimétricas e submilimétricas. Os Klystrons são projetados para operações em larga escala e apesar de terem uma largura de banda mais estreita 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.

Dispositivos de estado sólido, como MOSFETs de canal curto de silício, como FETs de semicondutores de óxido de metal (DMOS) de difusão dupla, FETs de GaAs, transistores/HBTs bipolares de heterojunção SiGe e GaAs, HEMTs, diodos IMPATT e outros, são usados especialmente em frequências de micro-ondas e níveis de potência mais baixos da ordem de watts, especificamente em aplicações como terminais de RF portáteis/telefones celulares e pontos de acesso onde tamanho e eficiência são os drivers. 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 melhor eficiência, largura de banda larga, operação aproximadamente de algumas a algumas dezenas de GHz com potência de saída de alguns Watts a algumas centenas de Watts são necessários.

Dependendo das especificações do amplificador e dos requisitos de tamanho, os amplificadores de micro-ondas podem ser integrados monoliticamente, integrados como módulos ou baseados em partes discretas ou qualquer combinação delas.

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

Amplificadores de instrumentos musicais

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

Classificação de estágios e sistemas amplificadores

Terminal comum

Um conjunto de classificações para amplificadores é baseado em qual terminal do dispositivo é comum aos circuitos de entrada e saída. No caso dos 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 frequentemente configurado para fornecer amplificação de uma tensão aplicada entre a base e o emissor, e o sinal de saída obtido entre o coletor e o emissor é invertido em relação à entrada. O arranjo de 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 utilizado porque a entrada apresenta alta impedância e não carrega a fonte de sinal, embora a amplificação de 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 apresenta realimentação 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 de sinal.

Um amplificador que usa realimentação 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 de sinal. Todos os amplificadores são bilaterais até certo ponto; no entanto, eles podem frequentemente ser modelados como unilaterais sob condições operacionais em que o feedback é pequeno o suficiente para ser negligenciado para a maioria das finalidades, simplificando a análise (consulte o artigo de base comum para obter um exemplo).

Invertida ou não inversora

Outra maneira de classificar os amplificadores é pela relação de fase do sinal de entrada com o sinal de saída. Uma 'inversão' amplificador produz uma saída de 180 graus fora de fase com o sinal de entrada (ou seja, uma inversão de polaridade ou imagem espelhada da entrada como visto em um osciloscópio). Um 'não inversor' amplificador 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 (ou seja, combinando com ganho unitário, mas talvez um deslocamento) o sinal de entrada. O seguidor de tensão também é um tipo de amplificador não inversor com ganho unitário.

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 ou subsistemas amplificadores completos e raramente a estágios individuais.

• A servo amplificador indica um loop de feedback integrado para controlar ativamente a saída em algum nível desejado. Um servo DC indica o uso em frequências até níveis DC, onde as rápidas flutuações de um sinal de áudio ou RF não ocorrem. Estes são frequentemente usados em atuadores mecânicos, ou dispositivos como motores DC que devem manter uma velocidade ou torque constantes. Um servo AC amp. pode fazer isso para alguns motores AC.
• A linear linear linear amplificador responde a diferentes componentes de frequência de forma independente, e não gera distorção harmônica ou distorção de intermodulação. Nenhum amplificador pode fornecer perfeito. linearidade (mesmo o amplificador mais linear tem algumas não-linearidades, uma vez que os dispositivos de amplificação - transistores ou tubos de vácuo - seguir leis de energia não linear, como leis quadradas e confiar em técnicas de circuito para reduzir esses efeitos).
• A não linear amplificador gera distorção significativa e assim muda o conteúdo harmônico; há situações em que isso é útil. Circuitos de amplificador intencionalmente fornecendo uma função de transferência não linear incluem:
  • um dispositivo como um retificador controlado por silício ou um transistor usado como um interruptor pode ser empregado para girar totalmente sobre ou fora uma carga como uma lâmpada baseada em um limiar em uma entrada continuamente variável.
  • um amplificador não linear em um computador analógico ou conversor RMS verdadeiro, por exemplo, pode fornecer uma função de transferência especial, como logarítmica ou quadrada.
  • um O amplificador classe C RF pode ser escolhido porque pode ser muito eficiente, mas não é linear. Seguindo um amplificador assim chamado tanque de tanque circuito sintonizado pode reduzir harmônicos indesejados (distorção) suficientemente para torná-lo útil em transmissores, ou algum harmônico desejado pode ser selecionado, definindo a frequência ressonante do circuito sintonizado para uma frequência mais alta em vez de frequência fundamental em circuitos de multiplicador de frequência.
  • Os circuitos de controle de ganho automático exigem que o ganho de um amplificador seja controlado pela amplitude de tempo-média para que a amplitude de saída varia pouco quando as estações fracas estão sendo recebidas. As não-linearidades são assumidas dispostas de modo que a amplitude de sinal relativamente pequena sofre de pouca distorção (interferência de canal cruzado ou intermodulação) ainda é modulada pela tensão DC relativamente grande controle de ganho.
  • Circuitos de detector de AM que usam amplificação como detectores de ânodo, retificadores de precisão e detectores de impedância infinitas (exceto unamplified Detectores como detectores de cat-whisker), bem como circuitos de detector de pico, dependem de mudanças na amplificação com base na amplitude instantânea do sinal para derivar uma corrente direta de uma entrada de corrente alternada.
  • Comparador de amplificador operacional e circuitos de detector.
• A banda larga o amplificador tem um fator de amplificação preciso sobre uma ampla faixa de frequência, e é frequentemente usado para aumentar os sinais para o relé em sistemas de comunicação. A banda estreita amp amplifica uma gama estreita específica de frequências, para a exclusão de outras frequências.
• Um RF Amplificador amplifica sinais na faixa de frequência de rádio do espectro eletromagnético, e é frequentemente usado para aumentar a sensibilidade de um receptor ou a potência de saída de um transmissor.
• Um amplificador de áudio amplifica as frequências de áudio. Esta categoria subdivide em amplificação de sinal pequeno e amplificadores de potência que são otimizados para dirigir alto-falantes, às vezes com vários amplificadores agrupados como canais separados ou pontes para acomodar diferentes requisitos de reprodução de áudio. Os termos mais utilizados nos amplificadores de áudio incluem:
  • Preamplifier (pré-amplificador), que pode incluir um pré-amplificador de fono com equalização RIAA, ou pré-amplificadores de cabeça de fita com filtros de equalização CCIR. Eles podem incluir filtros ou circuitos de controle de Tom.
  • Amplificador de energia (normalmente impulsiona alto-falantes), amplificadores de fone de ouvido e amplificadores de endereço público.
  • Amplificadores estéreo implicam dois canais de saída (esquerda e direita), embora o termo simplesmente significa som "sólido" (referindo-se a tridimensional) - então estereo quadrafônico foi usado para amplificadores com quatro canais. Os sistemas 5.1 e 7.1 referem-se a sistemas de teatro doméstico com 5 ou 7 canais espaciais normais, além de um canal de subwoofer.
• Amplificadores de amortecedores, que podem incluir seguidores emissores, fornecem uma entrada de alta impedância para um dispositivo (talvez outro amplificador, ou talvez uma carga de fome de energia, como luzes) que de outra forma atrairia muita corrente da fonte. Os drivers de linha são um tipo de buffer que alimenta cabos de interconexão longos ou propensos a interferências, possivelmente com saídas diferenciais através de cabos de pares torcidos.

Método de acoplamento entre estágios

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

Amplificador resistivo-capacitivo (RC) acoplado, usando uma rede de resistores e capacitores

Por design estes amplificadores não podem amplificar sinais DC como os capacitores bloqueiam o componente DC do sinal de entrada. Amplificadores montados em RC foram usados muitas vezes em circuitos com tubos de vácuo ou transistores discretos. Nos dias do circuito integrado alguns mais transistores em um chip são 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 do transformador, usando um transformador para combinar impedâncias ou para decouple partes dos circuitos

Bastante muitas vezes LC-coupled e transformador-coupled amplificadores não pode ser distinguido como um transformador é algum tipo de indutor.

Amplificador acoplado direto, sem impedância e componentes de correspondência de viés

Esta classe de amplificador foi muito incomum nos dias do tubo de vácuo quando a tensão do ânodo (saída) estava em maior que várias centenas de volts e a tensão da grade (entrada) em alguns volts menos. Assim, eles só foram usados se o ganho foi especificado para DC (por exemplo, em um osciloscópio). No contexto dos modernos desenvolvedores de eletrônica são incentivados a usar amplificadores diretamente acoplados sempre que possível. Nas tecnologias FET e CMOS o acoplamento direto é dominante desde que os portões de MOSFETs teoricamente não passam nenhuma corrente através de si mesmos. Portanto, o componente DC dos sinais de entrada é filtrado automaticamente.

Faixa de frequência

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

Faixas de frequência até DC são usadas apenas quando esta 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 DC. "Bloqueio DC" capacitores podem ser adicionados para remover frequências DC e subsônicas de amplificadores de áudio.

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

Assim que qualquer conexão dentro do circuito ficar maior do que talvez 1% do comprimento de onda da frequência especificada mais alta (por exemplo, em 100 MHz, o comprimento de onda é de 3 m, portanto, o comprimento crítico da conexão é de aproximadamente 3 cm) propriedades de design mudar radicalmente. Por exemplo, um comprimento e largura especificados de um traço de PCB podem ser usados como uma entidade seletiva ou de correspondência 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 de 3 dB abaixo 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 uma frequência inferior e superior (por exemplo, "20 Hz a 20 kHz mais ou menos 1 dB").

Aulas de amplificadores de potência

Circuitos amplificadores de potência (estágios de saída) são classificados como A, B, AB e C para projetos analógicos - e classe 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 amplificador passa corrente. A imagem do ângulo de condução deriva da amplificação de um sinal senoidal. Se o dispositivo estiver sempre ligado, o ângulo de condução é de 360°. Se estiver ligado apenas na metade de cada ciclo, o ângulo é de 180°. O ângulo de fluxo está intimamente relacionado com a eficiência de potência do amplificador.

Exemplo de circuito amplificador

Um circuito de amplificador prático

O prático circuito amplificador mostrado acima pode ser a base para um amplificador de áudio de potência moderada. Ele apresenta um design típico (embora substancialmente simplificado) encontrado em amplificadores modernos, com um estágio de saída push-pull classe AB e usa algum feedback negativo geral. 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 CA passe, mas bloqueia a tensão de polarização CC estabelecida pelos resistores R1 e R2, de modo que qualquer circuito anterior não 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. Esse 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 de emissor comum que fornece amplificação adicional do sinal e a 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 está disposto em classe AB push-pull, também chamado de par complementar. Eles fornecem a maior parte da amplificação de corrente (enquanto consomem baixa corrente quiescente) e acionam diretamente a carga, conectados por meio do capacitor de bloqueio CC C2. Os diodos D1 e D2 fornecem uma pequena quantidade de polarização de tensão constante para o par de saída, apenas direcionando-os para o estado de condução para que a distorção de cruzamento seja minimizada. Ou seja, os diodos empurram o estágio de saída firmemente para o modo classe AB (assumindo que a queda base-emissor 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, já 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 reduziria a resposta de frequência acima da faixa necessária para evitar a possibilidade de oscilação indesejada. Além disso, o uso de polarização de diodo fixo, conforme 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 demais, eles podem superaquecer facilmente e se autodestruir, pois a corrente total da fonte de alimentação não é limitada nesta fase.

Uma solução comum para ajudar a estabilizar os dispositivos de saída é incluir alguns resistores de emissor, geralmente um ohm ou mais. 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 na 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 "loop aberto" desempenho. 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 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 saída de energia necessária (ou seja, curto ou contínuo) e a faixa dinâmica necessária (por exemplo,, áudio gravado ou 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 à carga na tensão de saída da linha, com transformadores correspondentes na fonte e nas cargas. Isso evita longos cabos de alto-falante pesados.

Para evitar instabilidade ou superaquecimento, é necessário 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 através de perdas elétricas. O amplificador deve dissipar esse calor por convecção ou resfriamento por 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 nos equipamentos adjacentes.

Diferentes tipos de fonte de alimentação resultam em muitos métodos diferentes de polarização. Bias é uma técnica pela qual dispositivos ativos são configurados para operar em uma determinada região, ou pela qual o componente DC do sinal de saída é ajustado para o ponto médio entre as tensões máximas disponíveis na fonte de alimentação. A maioria dos amplificadores usa vários dispositivos em cada estágio; eles são normalmente combinados nas especificações, exceto pela polaridade. Dispositivos de polaridade invertida combinados são chamados de pares complementares. 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. 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 classe A, alimentando um segundo estágio push-pull classe AB, que aciona um estágio de saída final classe G, aproveitando os pontos fortes de cada tipo e minimizando seus pontos fracos.