SisElnB1 23/02/ /02/ SisElnB DDC. 23/02/ SisElnB DDC MICROP. DSP, MEM MODULATORE PWR. 23/02/ SisElnB DDC

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1 Ingegneria dell Informazione Obiettivi del gruppo di lezioni B SISTEMI ELETTRONICI B - AMPLIFICATORI E DOPPI BIPOLI B. - Descrizione funzionale di amplificatori» Parametri di un amplificatore» Modelli di amplificatore» Amplificatori come doppi bipoli» Da rete elettrica a doppio bipolo Moduli di amplificazione e analogici in genere: Cosa è un amplificatore (concetti di guadagno, banda, impedenza di ingresso e di uscita, rendimento); Tipi di amplificatore (tensione, corrente, a larga banda, accordati, filtri); Modelli di amplificatori e limiti dei modelli lineari; Analisi del comportamento dinamico, in tempo e in frequenza; Altri moduli analogici (cenni) Rilevare caratteristiche di amplificatori con strumenti base di laboratorio; Confrontare i risultati ricavati da analisi di circuiti, simulazioni PSPICE, misure sperimentali; 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Organizzazione Contenuti di questa lezione (B) 3 lezioni: amplificatori, modelli come doppi bipoli, tipologie, comportamento in frequenza limiti dei modelli, esercizi laboratorio: misuresuamplificatori Prerequisiti analisi di reti elettriche risposta in tempo e in frequenza Vari tipi di amplificatori (tensione, corrente, transresistenza, ), e le loro caratteristiche (Tutto solo con R >>> poi generalizzato con Z) 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Dove sono gli amplificatori? Cosa è un amplificatore? DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE CATENA RX A/D D/A MICROP. DSP, MEM Modulo con segnale di ingresso IN segnale di uscita OUT alimentazione PWR OSCILLATORI RX E TX Guadagno di potenza Nessuna perdita di informazione MODULATORE PWR CATENA TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY IN AMPLIFICATORE OUT 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Page 2007 DDC

2 Amplificatore di tensione Flusso di segnale IN PWR AMPLIFICATORE OUT IN PWR AMPLIFICATORE OUT : tensione di alimentazione Se le grandezze IN e OUT sono tensioni abbiamo un Amplificatore di tensione (riferimento iniziale in queste lezioni) =0 R L Percorso del segnale: - Generatore di ingresso ( ) - Amplificatore - Tensione sul carico ( ) : tensione di ingresso R L R L : resistenza di carico : tensione di uscita 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Flusso di potenza Segnali di ingresso e di uscita IN Maglia di alimentazione: - alimentatore ( ) - morsetti di alimentazione e di uscita - massa PWR AMPLIFICATORE OUT : tensione di ingresso : tensione di alimentazione R L R L : resistenza di carico : tensione di uscita Amplificatore di tensione: ampiezza della tensione in uscita maggiore di quella all ingresso V 0 V I =0 I 2 00 Ω 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Cosa caratterizza un amplificatore Guadagno di potenza in decibel Un trasformatore può far crescere la tensione, non la potenza: I 2 = I I I2 V Un rapporto K può essere espresso in decibel (G) G = K(dB) = 0 log 0 K I I Nell amplificatore deve verificarsi un incremento della potenza tra ingresso e uscita I 2 >> I La potenza aggiuntiva viene fornita dall esterno, attraverso l alimentazione. 50sp 500sp R L Per un guadagno di potenza Kp: Kp = Pu/Pi Gp = Kp(dB) = 0 log 0 Pu/Pi per passare da guadagno di potenza in db (Gp) a rapporto (Kp): Kp = Pu/Pi = 0 Gp/0 Kp Kp Gp(dB) /02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Page DDC 2

3 Rapporto tra tensioni in db Esercizio sui db Si possono usare i db anche per esprimere un rapporto tra tensioni Av: P = /R; Kp = Pu/Pi = (/) 2 (Ri/Ru) se Ri = Ru: Kp = Pu/Pi = (/) 2 Gp = Pu/Pi (db) = 20 log 0 / In termini di rapporto di tensioni: Gp = 20 log 0 Av = Av(dB) da guadagno in db (Gp) a rapporto di tensioni (Av): Av = / = 0 Gp/20 I U R RI U Gp(dB) Kp Kp Av Av 0 3 2,4, ,6 3, ,0 0,0 0, 0, ) Un amplificatore fornisce in uscita 0 V per 0, V di ingresso. Quanto vale in guadagno Av in db? E il rapporto tra le potenze (con Ri = Ru)? Nelle domande seguenti è sempre Ri= Ru 2) Un modulo attenua di 0 db tra V e V2. Quanto vale il rapporto V2/V? 3) Quale tensione di ingresso porta a 0 Vpp l uscita di un amplificatore con guadagno 80 db? 4) Tre amplificatori con guadagno rispettivamente 5, 20 e 0 db sono collegati in cascata. Quanto vale la tensione picco-picco di uscita se l ingresso sinusoidale è = mv efficaci? 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Altro esempio di amplificatore (*) Modello di amplificatore I I RI R U Possiamo rappresentare un amplificatore come un doppio bipolo contentente un generatore pilotato. / = Ri = 00 kω Ru = kω Iu/Ii = 00 I i ma 00 ma Il circuito non ha elementi resistivi, quindi non presenta perdite, sia in ingresso che in uscita 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Modello completo di amplificatore Effetto di Ri Modello più realistico, con resistenze che modellano le perdite all ingresso e all uscita (Ri e Ru), il carico Rc, e le correnti di ingresso I e I2. I I 2 VU Se la tensione di ingresso proviene da un generatore con resistenza interna Rg, la Ri determina una partizione che modifica il rapporto /. Qui tutti elementi resistivi, ma possono essere Z qualsiasi. Amplificatore modellato come un doppio bipolo con parametri Ri, Ru, Av. V I RI RU AV V I2 V2 V = Ri/(Ri Rg) / = Av V/V(Ri Rg)/Ri / = Av Ri/(Ri Rg) Rg V RI R U AV V (da / si passa spesso a V/V2, più comodo e generale per reti complesse) RC 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Page DDC 3

4 Effetto di Ru Effetto combinato di Ri e Ru In presenza di carico si ha una partizione tra Ru e Rc. = Av V Rc/(Ru Rc) V = RC La resistenza equivalente del generatore Rg determina una partizione all ingresso con Ri. Il carico Rc determina una partizione in uscita con Ru. Il rapporto effettivo tra tensione del generatore di ingresso e tensione sul carico è diverso da Av e vale: / = Av Rc/(Ru Rc) RI RU AV V I2 RC Funzione di trasferimento complessiva: / = [Ri/(Ri Rg)] Av [Rc/(Ru Rc)] I I R U 2 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Esempio numerico Procedura per la risoluzione Parametri dell amplificatore Ri = 0 kω Ru = 300 Ω Av = 20 Parametri della rete esterna Rg = 600 Ω Rc =,5 kω / =? I R U I 2 Per la risoluzione di esercizi con amplificatori (e altro), sia di analisi che di progetto: tracciare il circuito equivalente da utilizzare identificare cosa è noto e cosa deve essere calcolato assegnare nomi simbolici agli elementi della rete risolvere la rete algebricamente, applicando le regole base di elettrotecnica (leggi di Ohm e Kirchoff) eseguireverifiche dimensionali una volta ottenuta l espressione risolutiva, sostituire le variabili algebriche con i valori numerici Diffidare dalle formule risolutive! Generalmente valide solo in casi specifici 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Soluzione - Soluzione - 2 / = / / = Av Rc / (Ru Rc) = Ri / (Rg Ri) Rg = 600 Ω Ru = 300 Ω Av = 20 / = Ri = 0 kω Rc =,5 kω I I 2 R U I I 2 R U R I 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Page DDC 4

5 Contenuti di questa lezione (B) Altri tipi di amplificatore Vari tipi di amplificatori (tensione, corrente, transresistenza, ), e le loro caratteristiche (Tutto solo con R >>> poi generalizzato con Z) A seconda del tipo di generatore Vg e carico Rc le grandezze di ingresso e uscita possono essere - tensioni (V e V2) - correnti (I e I2) - combinazioni I/V Esistono vari tipi di amplificatore -V V di tensione -I I di corrente -V I di trasconduttanza -I V di trasresistenza I I 2 A I 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Esempi di ingressi e uscite Ingresso in tensione Ingresso in tensione amplificatori per microfono circuiti logici Ingresso in corrente sensori ottici (fotodiodi telecomandi a infrarossi) Uscita in tensione: alimentazione di circuiti elettronici lampadine Uscita in corrente: motori, attuatori elettromagnetici caricabatterie Vogliamo che l amplificatore riceva V = per evitare partizione della tensione tra Rg e Ri occorre una alta resistenza di ingresso: =? V = V 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Ingresso in corrente Caratteristiche di uscita Vogliamo che l amplificatore riceva I = Ii per evitare partizione della corrente Ii tra Gg e Gi occorre una alta conduttanza (bassa R) di ingresso: Uscita in tensione per evitare partizione della V tra Ru e Rc: bassa Ru R U V G g =? I se Ru = 0, V2 = V (non dipende dal carico Rc) Gi (Ri = 0) I = Ii I i G g G I Uscita in corrente per evitare partizione della I tra Gu e Rl: bassa Gu (alta Ru) se Gu = 0, I2 = I (non dipende dal carico Rc) I I 2 G U 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Page DDC 5

6 Amplificatore di tensione: V V Amplificatore di corrente: I I Il guadagno di tensione deve essere indipendente da Rg e dal carico Rc Per non avere partizione di : Ri Per non avere partizione in uscita: Ru = 0 R U V R U = 0 V R i = Perché tutta la corrente del generatore Ii diventi I: Ri = 0 Per non avere partizione in uscita: Ru I A I I I 2 I i R G I G U g I A I I I 2 I R i =0 i G g G U =0 U = 0 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Transresistenza: I V Tabella riassuntiva Ingresso in corrente: Ri = 0 Uscita di tensione: Ru = 0 = Rm Ii amplificatore di transresistenza Rm V V Av Ri Ru 0 Av V I Gm Ri Ru Gm Esiste anche l amplificatore di transconduttanza Ri Ru I R R U = 0 I 2 i I = 0 i G g R m I I V Rm Ri 0 Ru 0 I I Rm I I Ai Ri 0 Ru I I Ai Iu = Gm 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Contenuti di questa lezione (B) Da rete a doppio bipolo Vari tipi di amplificatori (tensione, corrente, transresistenza, ), e le loro caratteristiche (Tutto solo con R >>> poi generalizzato con Z) Una rete elettrica in cui sono individuati un morsetto di ingresso, uno di uscita, e un riferimento comune può essere trasformata in doppio bipolo con parametri Ri, Ru, Av. Occorre ricavare i circuiti equivalenti delle maglie di ingresso e di uscita R Ib R2 K Ib R4 R3 I U 2 R i V 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Page DDC 6

7 Parametri di un doppio bipolo Doppio bipolo equivalente Come ricavare i parametri I R U I 2 Av, Ri, Ro di un doppio bipolo? R i V - resistenza di ingresso Ri: - applicare una tensione V - calcolare la corrente I. Ri = V/I. - resistenza di uscita Ru: - applicare una tensione V, - calcolare la tensione di uscita a vuoto v e la corrente di uscita in CC I2cc. Ru = v/icc. - funzione di trasferimento in tensione Av: - applicare V all ingresso -calcolarev2. Av = V2/V Per determinare i parametri Ri, Av, Ru del doppio bipolo equivalente applicare la stessa procedura alla rete da trasformare. - per calcolare la resistenza di ingresso Ri applicare una tensione ai morsetti di ingresso e calcolare la corrente Ii. Ri = /Ii. - per calcolare la resistenza di uscita Ru applicare una tensione, calcolare la tensione di uscita a vuoto v e la corrente di uscita in CC Icc. Ru = v/icc. - per calcolare la funzione di trasferimento (/) applicare all ingresso e calcolare. Ii Ib R R2 K Ib R4 R3 Iu 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Da rete a doppio bipolo - esempio 2 Contenuti di questa lezione (B) Trasformare il circuito in doppio bipolo e determinarne i parametri Ri, Ru, Av. Applicare il procedimento dell esercizio precedente. R Va R2 a Vari tipi di amplificatori (tensione, corrente, transresistenza, ), e le loro caratteristiche (Tutto solo con R >>> poi generalizzato con Z) 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Doppi bipoli in cascata - Doppi bipoli in cascata - 2 VI AV AV2 AV3 VU RC Procedimento - Ricavare il modello a doppio bipolo per ogni modulo della catena. - Applicare V all ingresso. - Calcolare la tensione di uscita V2 del primo modulo, caricato dal secondo, e così via per i moduli successivi. Una catena di doppi bipoli può essere trasformata un un singolo Doppio Bipolo equivalente. Una rete in cui può essere individuata una catena di doppi bipoli può essere trasformata in un singolo DB equivalente. I R U I 2 R i V La fdt complessiva è il prodotto delle fdt dei singoli moduli Se il segnale si propaga solo dall ingresso verso l uscita (non vi è reazione): Ri = Ri Ru = RuN I G R 2 U2 R R GU 2 2 I 3 V 3 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Page DDC 7

8 Sommario Lezione B Lezione B: test conclusivo Tipi di amplificatori (tensione, corrente, transresistenza, ), e loro caratteristiche Tutto visto con R >>> generalizzabile con Z Quali sono i parametri che identificano un amplificatore (modellato come un doppio bipolo)? Se la resistenza di carico diminuisce, la tensione all uscita di un amplificatore aumenta o diminuisce? Se la resistenza di ingresso diminuisce, la tensione all uscita di un amplificatore di tensione aumenta o diminuisce? Quale procedura seguire per ricavare da una rete elettrica un modello come amplificatore? Quale procedura seguire per trasformare una catena di amplificatori in un singolo amplificatore equivalente? Come si possono calcolare o misurare le resistenze di ingresso e di uscita? 23/02/ SisElnB DDC 23/02/ SisElnB DDC Prerequisiti lezione B2 Lezione B2: Comportamento dinamico di amplificatori Prerequisiti» Modelli di amplificatori come doppi bipoli con Ri, Av, Ru; (questa lezione)» Risposta T e F di celle RC del I ordine (da ELT I e II)» Catene di doppi bipoli Riferimenti nel testo» Cap. 23/02/ SisElnB DDC Page DDC 8