Un amplificator electronic sau (informal) amplificator, este un dispozitiv electronic care poate creste puterea unui semnal (o tensiune sau un curent care variaza in timp). Este un circuit electronic cu doua porturi care foloseste energia electrica de la o sursa de alimentare pentru a creste amplitudinea unui semnal aplicat la bornele sale de intrare, producand un semnal de amplitudine proportional mai mare la iesire.
Cantitatea de amplificare furnizata de un amplificator este masurata prin castigul sau: raportul dintre tensiunea de iesire, curent sau puterea la intrare. Un amplificator este un circuit care are un castig de putere mai mare decat 1.
Un amplificator poate fi fie o piesa separata de echipament, fie un circuit electric continut intr-un alt dispozitiv. Amplificarea este fundamentala pentru electronica moderna, iar amplificatoarele sunt utilizate pe scara larga in aproape toate echipamentele electronice. Amplificatoarele pot fi clasificate in diferite moduri.
Unul este prin frecventa semnalului electronic amplificat. De exemplu, amplificatoarele audio amplifica semnale in domeniul audio (sunet) mai mic de 20 kHz, amplificatoarele RF amplifica frecventele in intervalul de frecventa radio intre 20 kHz si 300 GHz, iar servoamplificatoarele si amplificatoarele de instrumentare pot functiona cu frecvente foarte mici.
Amplificatoarele pot fi, de asemenea, clasificate prin plasarea lor fizica in lantul de semnal; un preamplificator poate preceda alte etape de procesare a semnalului, de exemplu. Primul dispozitiv electric practic care ar putea amplifica a fost tubul de vid triodic, inventat in 1906 de Lee De Forest, care a dus la aparitia primelor amplificatoare in jurul anului 1912. Astazi majoritatea amplificatoarelor utilizeaza tranzistoare.
Tuburi de vid
Primul dispozitiv practic proeminent care putea amplifica, a fost tubul de vid triodic, inventat in 1906 de Lee De Forest, care a dus la primele amplificatoare in jurul anului 1912. Tuburile de vid au fost utilizate in aproape toate amplificatoarele pana in anii 1960–70, cand tranzistoarele le-au inlocuit. Astazi, majoritatea amplificatoarelor utilizeaza tranzistoare, dar tuburile de vid continua sa fie utilizate in unele aplicatii.
Dezvoltarea tehnologiei de comunicatii audio sub forma de telefon, brevetata pentru prima data in 1876, a creat necesitatea cresterii amplitudinii semnalelor electrice pentru a extinde transmisia semnalelor pe distante din ce in ce mai mari. In telegrafie, aceasta problema fusese rezolvata cu dispozitive intermediare la statii care alimentau energia disipata, actionand un inregistrator de semnal si un transmitator spate-in-spate, formand un releu, astfel incat o sursa de energie locala la fiecare statie intermediara sa alimenteze urmatoarea etapa de transmisie.
Pentru transmisia duplex, adica trimiterea si primirea in ambele directii, au fost dezvoltate repetitoare de relee bidirectionale incepand cu activitatea lui C. F. Varley pentru transmisia telegrafica. Transmisia duplex a fost esentiala pentru telefonie si problema nu a fost rezolvata in mod satisfacator pana in 1904, cand HE Shreeve de la American Telephone and Telegraph Company, a imbunatatit incercarile existente de a construi un repetitor telefonic format din transmitator si perechi de receptoare electrodinamice.
Repetorul Shreeve a fost testat pentru prima data pe o linie intre Boston si Amesbury, MA, iar unele dispozitive mai rafinate au ramas in functiune pentru o buna perioada de timp. Dupa sfarsitul secolului, s-a constatat ca lampile cu mercur cu rezistenta negativa s-ar putea amplifica si au fost incercate si in repetitoare, cu putin succes. Dezvoltarea supapelor termionice incepand cu 1902, a furnizat o metoda complet electronica de amplificare a semnalelor.
Prima versiune practica a unor astfel de dispozitive a fost triodul Audion, inventat in 1906 de Lee De Forest, care a dus la primele amplificatoare in jurul anului 1912. Deoarece singurul dispozitiv anterior care a fost utilizat pe scara larga pentru amplificarea unui semnal a fost releul utilizat in sistemele telegrafice, tubul de vid amplificator a fost numit mai intai releu de electroni. Termenii amplificator si amplificare, derivati din latinescul amplificare, (a mari sau extinde), au fost folositi pentru prima data in jurul anului 1915, cand triodele s-au raspandit.
Tubul de vid amplificator a revolutionat tehnologia electrica, creand noul domeniu al electronicii, tehnologia dispozitivelor electrice active. A facut posibila liniile telefonice pe distante lungi, sistemele de adresare publica, difuzarea radio, inregistrarea audio practica, radarul, televiziunea si primele computere.
Timp de 50 de ani, practic toate dispozitivele electronice de consum au folosit tuburi de vid. Amplificatoarele cu tuburi timpurii au avut adesea feedback pozitiv (regenerare), care ar putea creste castigul, dar, de asemenea, pot face amplificatorul instabil si predispus la oscilatie. O mare parte din teoria matematica a amplificatoarelor a fost dezvoltata la Laboratoarele telefonice Bell in anii 1920-1940.
Nivelurile de distorsiune la amplificatoarele timpurii au fost ridicate, de obicei in jur de 5%, pana in 1934, cand Harold Black a dezvoltat feedback-ul negativ; acest lucru a permis reducerea semnificativa a nivelurilor de distorsiune, cu pretul unui castig mai mic. Alte progrese in teoria amplificarii au fost facute de Harry Nyquist si Hendrik Wade Bode.
Tubul de vid a fost practic singurul dispozitiv de amplificare, altul decat dispozitivele de putere specializate, cum ar fi amplificatorul magnetic si amplidinul, timp de 40 de ani. Circuitele de control al puterii au folosit amplificatoare magnetice pana in a doua jumatate a secolului al XX-lea, cand dispozitivele semiconductoare de putere au devenit mai economice, cu viteze de functionare mai mari.
Vechile repetitoare de carbon electroacustice Shreeve, au fost utilizate in amplificatoare reglabile in echipamentele abonatilor telefonici – persoanele cu deficiente de auz, pana cand tranzistorul a furnizat amplificatoare de calitate mai inalta in anii 1950.
Tranzistoare
Primul tranzistor de lucru a fost un tranzistor de contact punct inventat de John Bardeen si Walter Brattain in 1947 la Bell Labs, unde William Shockley a inventat ulterior tranzistorul de jonctiune bipolar (BJT) in 1948. Au fost urmate de inventia tranzistorului cu efect de camp semiconductor (MOSFET) de Mohamed M. Atalla si Dawon Kahng la Bell Labs in 1959.
Datorita scalarii MOSFET, capacitatii de a scadea la dimensiuni din ce in ce mai mici, MOSFET a devenit de atunci cel mai utilizat amplificator. Inlocuirea tuburilor voluminoase de electroni cu tranzistori in anii 1960 si 1970 a creat o revolutie in electronica, facand posibila o clasa mare de dispozitive electronice portabile, cum ar fi radioul cu tranzistor dezvoltat in 1954.
Astazi, utilizarea tuburilor de vid este limitata pentru o putere mare, in aplicatii cum ar fi emitatoarele radio. Incepand cu anii 1970, tot mai multi tranzistori au fost conectati pe un singur cip, creand astfel scari mai mari de integrare (cum ar fi integrarea pe scara mica, pe scara medie si pe scara larga) in circuite integrate.
Multe amplificatoare disponibile astazi in comert se bazeaza pe circuite integrate. In scopuri speciale, au fost utilizate alte elemente active.
De exemplu, in primele zile ale comunicatiei prin satelit, au fost utilizate amplificatoare parametrice. Circuitul central a fost o dioda a carei capacitate a fost modificata de un semnal RF creat local. In anumite conditii, acest semnal RF a furnizat energie care a fost modulata de semnalul satelit extrem de slab primit la statia terestra.
Progresele in electronica digitala de la sfarsitul secolului al XX-lea au oferit noi alternative la amplificatoarele traditionale cu castig liniar, prin utilizarea comutarii digitale pentru a varia forma impulsului semnalelor de amplitudine fixa, rezultand dispozitive precum amplificatorul de clasa D.
Proprietati
Proprietatile amplificatorului sunt date de parametrii care includ:
- Gain, raportul dintre magnitudinea semnalelor de iesire si de intrare
- Latime de banda, latimea domeniului de frecventa util
- Eficienta, raportul dintre puterea de iesire si consumul total de energie
- Liniaritatea, masura in care proportia dintre amplitudinea de intrare si iesire este aceeasi pentru amplitudinea mare si amplitudinea mica
- Zgomot, o masura de zgomot nedorit amestecat in iesire
- Gama dinamica de iesire, raportul dintre cele mai mari si cele mai mici niveluri utile de iesire
- Rata de rotire, rata maxima de modificare a iesirii
- Timpul de crestere, timpul de stabilire, sunetul si depasirea care caracterizeaza raspunsul pasului
- Stabilitate, capacitatea de a evita auto-oscilatia
Amplificatoarele sunt descrise in functie de proprietatile intrarilor lor, ale iesirilor lor si de modul in care se relationeaza. Toate amplificatoarele au “castig”, un factor de multiplicare care leaga magnitudinea unor proprietati ale semnalului de iesire, cu o proprietate a semnalului de intrare.
Castigul poate fi specificat ca raportul dintre tensiunea de iesire si tensiunea de intrare (castigul de tensiune), puterea de iesire la puterea de intrare (castigul de putere) sau o combinatie de curent, tensiune si putere. In multe cazuri, proprietatea iesirii care variaza depinde de aceeasi proprietate a intrarii.
Majoritatea amplificatoarelor sunt proiectate sa fie liniare. Adica ofera castig constant pentru orice nivel normal de intrare si semnal de iesire. Daca castigul unui amplificator nu este liniar, semnalul de iesire poate fi distorsionat. Exista, totusi, cazuri in care castigul variabil este util. Anumite aplicatii de procesare a semnalului utilizeaza amplificatoare de castig exponential.
Amplificatoarele sunt de obicei proiectate pentru a functiona bine intr-o aplicatie specifica, de exemplu: emitatoare si receptoare de radio si televiziune, echipamente stereo de inalta fidelitate (“hi-fi”), microcomputere si alte echipamente digitale, precum si amplificatoare pentru chitara si alte instrumente. Fiecare amplificator include cel putin un dispozitiv activ, cum ar fi un tub de vid sau un tranzistor.
Categorii
Dispozitive active
Toate amplificatoarele includ o forma de dispozitiv activ: acesta este dispozitivul care face amplificarea efectiva. Dispozitivul activ poate fi un tub de vid, o componenta discreta de stare solida, cum ar fi un singur tranzistor sau o parte a unui circuit integrat, ca intr-un amplificator op.).
Amplificatoarele cu tranzistoare (sau amplificatoarele in stare solida) sunt cel mai comun tip de amplificator utilizat astazi. Un tranzistor este folosit ca element activ. Castigul amplificatorului este determinat de proprietatile tranzistorului in sine, precum si de circuitul in care este continut.
Dispozitivele active obisnuite in amplificatoarele cu tranzistoare includ tranzistoarele de jonctiune bipolare (BJT) si tranzistoarele cu efect de camp semiconductor cu oxid de metal (MOSFET).
Aplicatiile sunt numeroase, unele exemple obisnuite sunt amplificatoarele audio intr-un sistem stereo sau de adresare publica la domiciliu, generarea de inalta frecventa RF pentru echipamente semiconductoare, la aplicatii RF si cu microunde, cum ar fi emitatoare radio.
Amplificarea bazata pe tranzistoare poate fi realizata utilizand diverse configuratii: de exemplu, un tranzistor de jonctiune bipolar poate realiza o baza comuna, un colector comun sau o amplificare comuna a emitatorului; un MOSFET poate realiza o poarta comuna, o sursa comuna sau o amplificare de scurgere comuna. Fiecare configuratie are caracteristici diferite.
Amplificatoarele cu tuburi de vid (cunoscute si sub numele de amplificatoare pe tuburi) folosesc un tub de vid ca dispozitiv activ. In timp ce amplificatoarele cu semiconductoare au inlocuit efectiv amplificatoarele pe tuburi, in special pentru aplicatiile cu putere redusa, amplificatoarele de vid pot fi mult mai rentabile in aplicatii cu putere mare, cum ar fi radar, echipamente de contramasuri si echipamente de comunicatii.
