5. Amplificatori. Corso di Fondamenti di Elettronica Fausto Fantini a.a

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Gianmarco Pace
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1 5. Amplificatori Corso di Fondamenti di Elettronica Fausto Fantini a.a

2 Amplificazione Amplificare un segnale significa produrre un segnale in uscita (output) con la stessa forma d onda del segnale di ingresso (input) ma con maggior ampiezza. L amplificatore richiede una alimentazione. Si distinguono: Amplificatori di tensione Amplificatori di corrente (Amplificatori di potenza)

3 Amplificatore di tensione Il segnale V i (t) è applicato in ingresso all amplificatore, che genera un segnale V o (t)=a v V i (t) (in uscita) sulla resistenza di carico connessa ai terminali di uscita. A v è il guadagno di tensione dell amplificatore I nodi di ingresso e uscita sono di solito connessi a massa

4 Amplificatore invertente e non invertente A v negativa: amplificatore invertente A v positiva: amplificatore non-invertente Se un segnale video è invertito, ad esempio, si vede l immagine negativa (il nero al posto del bianco): in questi casi, il segno dell amplificazione è importante! Per un segnale audio non stereofonico, non importa se l amplificazione è invertente o non-invertente! 4

5 Amplificatori ideali Amplificatore ideale di tensione: elabora la tensione di circuito aperto del generatore di ingresso e produce un segnale amplificato sul carico in uscita. Ha impedenza di ingresso infinita, mentre quella di uscita è nulla. Amplificatore ideale di corrente: elabora la corrente di cortocircuito in ingresso e impone la corrente amplificata in uscita. Ha impedenza di ingresso nulla e impedenza d uscita infinita.

6 Sorgente e carico Ogni stadio può essere descritto dalla topologia degli ingressi, delle uscite e dalla relazione tra di loro: circuito equivalente. Il circuito equivalente NON descrive la struttura fisica dell amplificatore.

7 Circuito equivalente d ingresso La resistenza (o l impedenza) d ingresso descrive come l amplificatore appare quando funge da carico dello stadio precedente.

8 Impedenza d ingresso Se vogliamo amplificare la tensione di una sorgente qualsiasi avente impedenza interna non-nulla, la resistenza di ingresso dell amplificatore deve essere il più elevata possibile (R in >>R s ) Se vogliamo amplificare la corrente di una sorgente (avente impedenza interna non-infinita), la resistenza di ingresso dovrà essere invece il più piccola possibile (R in <<R s ) 8

9 Circuito equivalente di uscita La resistenza (o l impedenza) di uscita descrive come l amplificatore appare quando funge da sorgente per lo stadio successivo.

10 Impedenza di uscita Possiamo forzare una tensione su un carico variabile se l amplificatore ha una bassa impedenza di uscita confrontata con l impedenza del carico (R O <<R L ) se l impedenza di uscita dell amplificatore è alta rispetto al carico, allora la tensione di uscita dipende dall impedenza di carico; se l impedenza di uscita dell amplificatore è piccola, allora la tensione di uscita è quasi indipendente dal carico (ideale). Possiamo forzare una data corrente su un carico se l amplificatore ha un elevata impedenza di uscita rispetto al carico (R O >>R L )

11 Generatori controllati Il guadagno può essere modellato da un generatore controllato dalla grandezza in ingresso (tensione o corrente)

12 Circuito equivalente Un amplificatore può essere modellizzato con un generatore di tensione controllato in tensione che produce la tensione A v V i Un modello realistico dell amplificatore include inoltre la resistenza di ingresso R i (dato che l amp. assorbe corrente) la resistenza di uscita R o in serie al generatore, che tiene in conto della riduzione della tensione di uscita V 0 per effetto della corrente I 0 che scorre nella resistenza di carico

13 Esempio A v0 =10 V i = V o = A v =

14 Amplificatore di tensione Il modello dell amplificatore di tensione, che ne modella al meglio le proprietà di amplificazione, risulta composto da: generatore di tensione controllato in tensione, di cui A vo è il guadagno di tensione a circuito aperto (A v0 A v ) R i = resistenza (impedenza) equivalente secondo Thevenin vista dai terminali di ingresso R o = resistenza (impedenza) equivalente secondo Thevenin vista dai terminali d uscita

15 Guadagno A v è il guadagno di tensione con resistenza di carico connessa, R L : A v =A v0 R L /(R L +R o ) Il guadagno di corrente A i è definito come il rapporto fra la corrente in uscita I o e quella in ingresso I i : A i =(I o /I i )=(V o /R L )/(V i /R i )=A v (R i /R L )

16 V i =V s V o =A v V i Massimo guadagno

17 Potenza in uscita e adattamento La potenza in uscita di un amplificatore è data dalla potenza dissipata sul carico: P o =V o2 /R L Si può verificare che al crescere della R L la tensione in uscita cresce mentre la potenza raggiunge un massimo per poi calare. Il massimo si raggiunge per R L = R o

18 Impedenza di uscita In generale, l impedenza del carico deve essere uguale al complesso coniugato dell impedenza di uscita: R L +jx=r o -jx Quindi se il carico è induttivo l uscita deve essere capacitiva.

19 Guadagno di potenza Il guadagno di potenza A p è definito come il rapporto fra la potenza trasferita al carico in uscita P o e la potenza in ingresso P i Assumendo che impedenze di ingresso e di uscita siano puramente resistive: A p =(P o / P i )=(V o I o /V i I i )=A v A i =A v2 R i /R L

20 Alimentazione In un amplificatore, la potenza fornita al carico è maggiore di quella fornita dal segnale di ingresso; la potenza addizionale P S è fornita dai generatori di alimentazione (power supply). La potenza media è data dal prodotto della tensione di alimentazione (DC) per la corrente media erogata: P S =V AA I A +V BB I B

21 Alimentazione

22 Alimentazione Parte della potenza è dissipata in calore dai circuiti interni dell amplificatore La somma delle potenze fornite all amplificatore dal segnale di ingresso P i e dall alimentazione P s deve uguale alla somma della potenza erogata in uscita P o e di quella dissipata P d : P i +P s =P o +P d P i è generalmente trascurabile rispetto agli altri termini: l amplificatore converte parte della potenza di alimentazione in potenza d uscita.

23 Efficienza Efficienza: h=100 P o /P s

24 Amplificatore di corrente L amplificatore di corrente può essere rappresentato da un generatore di corrente pilotato in corrente La resistenza di ingresso include l assorbimento di corrente ai morsetti di ingresso. La resistenza di uscita (in parallelo) sta ad indicare che l amplificatore non riesce a fornire la corrente fissata ad un carico qualsiasi. Se l uscita è cortocircuitata, non scorre corrente su R o e il rapporto fra le correnti di uscita e di ingresso è A isc, che viene detto guadagno di corrente in cortocircuito

25 Risposta in frequenza

26 Larghezza di banda

Amplificatori in cascata A v =A v1 A v2 Una serie di amplificatori in cascata può essere modellizzato come un singolo amplificatore di tensione che ha: R i = resistenza

27 Amplificatori in cascata A v =A v1 A v2 Una serie di amplificatori in cascata può essere modellizzato come un singolo amplificatore di tensione che ha: R i = resistenza ingresso dell amplificatore al 1 0 stadio R o = resistenza uscita dell amplificatore all ultimo stadio A v0 = guadagno a circuito aperto calcolato lasciando aperto l ultimo stadio

28 Amplificatore non invertente e invertente

Accoppiamenti AC e DC Se il guadagno di un amplificatore è nullo in DC, si dice che l amplificatore è accoppiato in AC: solo il segnale AC viene amplificato (segnale audio [15 Hz 20 khz], da

29 Accoppiamenti AC e DC Se il guadagno di un amplificatore è nullo in DC, si dice che l amplificatore è accoppiato in AC: solo il segnale AC viene amplificato (segnale audio [15 Hz 20 khz], da elettrocardiografo) Gli amplificatori sono composti da più stadi o circuiti amplificatori in cascata connessi attraverso condensatori d accoppiamento, che permettono alle tensioni di polarizzazione DC dei vari circuiti di non influenzare i circuiti adiacenti (fra cui il generatore di segnale ed il carico) 29

Accoppiamenti AC e DC Gli amplificatori che hanno guadagno costante in DC (la regione di midgap comprende anche frequenze nulle) sono accoppiati in diretta o DC (circuiti integrati, IC).

30 Accoppiamenti AC e DC Gli amplificatori che hanno guadagno costante in DC (la regione di midgap comprende anche frequenze nulle) sono accoppiati in diretta o DC (circuiti integrati, IC). Esempio: segnali video [0 4.5 MHz], in cui il segnale DC regola la luminosità. Il guadagno di un amplificatore cala sempre ad alte frequenze: ciò è dovuto a piccole capacità parassite poste in parallelo al percorso del segnale e/o a piccole induttanze parassite in serie 30

31 Amplificatori differenziali Gli amplificatori differenziali hanno due ingressi: ov + ingresso non invertente ov_ ingresso invertente Le tensioni comuni sono dette segnali di modo comune Le tensioni che differiscono sono dette segnali di modo differenziali L amplificatore amplifica solo i segnali differenziali

32 Amplificatori differenziali

33 A d =V o /(V + -V_) Circuito equivalente

34 Amplificatore reale Negli amplificatori reali non riesco ad eliminare completamente la componente di modo comune, V icm, che viene amplificata.

35 Amplificatore reale In pratica: V o =A d V id +A cm V icm Deve essere A d >>A cm Rapporto di reiezione di modo comune: CMRR=20Log( A d / A cm )

36 Semplici amplificatori

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