Amplificatori. Gli amplificatori. Enzo Gandolfi. Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 1

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1 Gli amplificatori Enzo Gandolfi Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 1

2 Amplificatore Un amplificatore può essere visto come una scatola nera collegata ad un alimentatore che riceve un segnale in ingresso con potenza Pi e ne produce uno in uscita con potenza amplificata Po Alimentatore P 0 Amplificatore P 1 = k Pk 0 Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 2

3 Amplificatori Gli amplificatori possono essere divisi in 4 categorie: Amplificatori di tensione Amplificatori di corrente Amplificatori a transresistenza Amplificatori a transconduttanza Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 3

4 Amplificatore di tensione Amplificatore di tensione Bassa Ro Rs Ro Vs Vi Ri AvVi Alta Ri Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 4

5 Amplificatore di corrente Amplificatore di corrente Ii Alta Ro Is Rs Ri AiIi Ro Bassa Ri Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 5

6 Amplificatore di transresistenza Amplificatore di transresistenza Ii Ro Bassa Ro Is Rs Ri rmii Bassa Ri Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 6

7 Amplificatore a transconduttanza Amplificatore di transconduttanza Rs Alta Ro Vs Vi Ri gmvi Ro Alta Ri Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 7

8 Guadagno di un amplificatore in funzione della frequenza Il guadagno di un amplificatore varia in funzione della frequenza del segnale di ingresso, e in prima approssimazione è esprimibile nel seguente modo: Per la parte ad alta frequenza: A f = A 0 1 j f f h Per la parte a bassa frequenza: A f = A 0 1 j f l f Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 8

9 Per le Basse frequenze: A f = A o A 1 j f l f Ao Ao= Afl = Ao 2 f l frequenza Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 9

10 Per le Alte frequenze: A A f = A o 1 j f fh Ao Afh= Ao 2 f h frequenza Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 10

11 Banda Passante La Banda passante di un amplificatore è definita come l intervallo di frequenze [fl,fh] nel quale l amplificazione è maggiore di Ao/ 2 A A 0 A 0 2 f l Banda Passante f h frequenza Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 11

12 La Controreazione X e A Y La controreazione (reazione negativa) consiste nel portare (sottrarre) βy all ingresso parte del segnale di uscita Y = Ae e = X-βY Y = A(X - βy) Y = AX - A βy Y = A 1 βa X Y (1+AβY) = AX Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 12

13 La Controreazione Dalla precedente formula risulta che, il guadagno di un amplificatore controreazionato (A r ) è: A r = A 1 βa Per valori di A molto grandi, si ottiene: lim A A r = 1 1 A β = 1 β Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 13

14 Osservazione Controreazionando un amplificatore il suo guadagno diminuisce, infatti A r < A. Il guadagno A r, se A è elevato, dipende essenzialmente da β. Il guadagno di un amplificatore controreazionato sarà molto piu stabile e controllabile poichè β dipende solo da componenti passivi. Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 14

15 Proprietà della controreazione Stabilizzazione del guadagno Modifica della risposta in frequenza quindi Riduzione della distorsione Modifica di R i e R 0 (Stabilizzazione del punto di lavoro) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 15

16 Stabilizzazione del guadagno Da A r = A 1 βa otteniamo: A r A = 1 βa βa 1 βa = βa 2 A r A r = A 1 βa 1 1 βa A A A r = 1 A r 1 βa A A Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 16

17 Osservazione Se un amplificatore viene controreazionato le variazioni del suo guadagno vengono attenuate di un fattore pari a (1+βA). Ciò ci consente di avere amplificatori meno sensibili a fattori esterni. Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 17

18 Controreazione e banda passante Il guadagno di un amplificatore al variare della frequenza, viene espresso dalle seguenti formule: Per la parte ad alta frequenza Per la parte a bassa frequenza A f = A 0 1 j f f h A f = A 0 1 j f l f Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 18

19 Controreazione e banda passante Nel caso di amplificatori con controreazione si ha: A f A fr = 1 βa f Quindi per le alte frequenze: A fr = A 0 1 j f f h 1 β A 0 1 j f f h = A 0 1 j f f h 1 j f f h 1 j f f h βa 0 Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 19

20 Controreazione e banda passante A fr = A 0 1 j f f h βa 0 = A βa 0 f 1 f h 1 βa 0 = A 0 1 βa 0 1 βa 0 1 j f f h βa 0 = A or 1 f f hr Guadagno controreazionat o a centro banda Dove f hr =f h (1+βA 0 ) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 20

21 Controreazione e banda passante L amplificazione, A fr, di un amplificatore controreazionato, per le alte frequenze può essere espresso come: A fr = A f 1 f f hr dove f hr = f h 1 βa 0 Ragionando allo stesso modo, anche per le amplificazione dei segnali a bassa frequenza si otterrà: A fr = A f 1 f lr f dove f lr = 1 βa 0 Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 21 f l

22 Conclusioni La controreazione aumenta la banda passante di un amplificatore, infatti dalle precedenti relazione risulta: f hr =f h (1 + βa 0 ) f lr = f l /(1 + βa 0 ) Ne segue che, un amplificatore controreazionato diminuisce la distorsione del segnale in ingresso. Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 22

23 Conclusioni Nell amplificatore controreazionato l aumento della banda passante coincide con una diminuzione dell ampiezza dell amplificazione, ma questo è un problema secondario, che può essere risolto mettendo più amplificatori in cascata. Ao Aor A Amplificatore non controreazionato Amplificatore controreazionato frequenza Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 23

24 Alimentatore E i Amplificatore E o Amplificatore di tensione ALTA IMPEDENZA D INGRESSO R s V s R i A v R o R L BASSA IMPEDENZA D USCITA Amplificatore di corrente BASSA IMPEDENZA D INGRESSO I s R s R i A i R o R L ALTA IMPEDENZA D USCITA Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 24

25 Amplificatore a transresistenza BASSA IMPEDENZA D INGRESSO I s R s R i r m R o R L BASSA IMPEDENZA D USCITA Amplificatore a transconduttanza ALTA IMPEDENZA D INGRESSO R s V s R i g m R o R L IMPEDENZA D USCITA ALTA Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 25

26 Amplificatore di tensione R s R o V s R i A v R L V f V f = β β Feedback di TENSIONE composto in SERIE Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 26

27 R s V s R i V f V f = β V 0 β R o A v R L Feedback di TENSIONE composto in SERIE Analisi qualitativa La resistenza di ingresso R i, vista da V s, per effetto della controreazione in serie è maggiore in quanto la corrente che entra nell amplificatore diminuisce a causa della tensione di feedback che si oppone a V s. Analisi quantitativa: per semplicità si considera un generatore ideale V s con resistenza interna R s = 0. R if = V s = V f = β A v = 1 β A v = 1 β A v R if = R i (1 + β A v ) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 27

28 R s V s R i V f V f = β V 0 β R o A v R L Feedback di TENSIONE composto in SERIE La controreazione stabilizza la tensione in uscita al variare del carico, come se la resistenza di uscita fosse minore. Analisi qualitativa: un eventuale generatore applicato all uscita vede in parallelo a R o il ramo di feedback. Analisi quantitativa: si deve cortocircuitare Vs e procedere all analisi del circuito tenendo presente che il ramo di feedback non assorbe corrente R of = I o = A v = β A v R o = 1 β A v R o R o R of = R o / (1+β A v ) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 28

29 Amplificatore di corrente I o I s R s I f R i A i R o R L I o I f = β I o β Feedback di CORRENTE composto in PARALLELO Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 29

30 Analisi qualitativa I s R s I f R i I f = β I o β I o A i R R I o o L La resistenza di ingresso R i vista da I s, diminuisce a causa del feedback, in quanto essa è vista in parallelo al ramo di feedback. Anche in questo caso si considera I s generatore ideale, con R s infinita. Feedback di CORRENTE composto in PARALLELO R if = I s = I f = β I o = β A i = 1 β A i = 1 1 β A i R if = R i / (1+βA i ) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 30

31 I s R s I f R i I f = β I o β I o A i R R o L Feedback di CORRENTE composto in PARALLELO 1 - La controreazione stabilizza la corrente in uscita al variare del carico, come se la resistenza di uscita fosse maggiore. 2 - Un eventuale generatore applicato all uscita (una volta aperto I s ) vede crescere R o per effetto del feedback che è posto in serie. Analiticamente sostituiamo R L con Vo( nota che Io avrà verso opposto) e togliamo Is avremo: R of = I o = R o I o A i I o = R o I o A i I f I o = R o I o A i β I o I o R of = R o (1+β A i ) = R o I o 1 A i β I o Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 31

32 Amplificatore a transresistenza R o I s R s I f R i r m R L I f = β β Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 32

33 I s Rs If R i I f =β Ro r m β Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO R l Analisi qualitativa La resistenza di ingresso vista da I s diminuisce con la controreazione in quanto è vista in parallelo al ramo di feedback. R if = I s = I f = β = β r m = 1 β r m = 1 1 β r m R if = R i / (1+βr m ) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 33

34 I s Rs If Ro Analisi qualitativa: R i I f =β β r m Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO R l La resistenza di uscita diminuisce in quanto un generatore esterno vede Ro in parallelo al ramo di Feedback Analisi quantitativa La corrente che circola nella maglia di uscita una volta aperta I s può essere calcolata partendo dalla relazione - r m = R o I o e tenendo presente che I f = β si ha - r m = + β r m = (1+ β r m ) = R o I o / I o = R o / (1 + β r m ) = R of Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 34

35 Amplificatore a transconduttanza R s I o V s R i g m R o R L I o V f V f = β I o β Feedback di CORRENTE composto in SERIE Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 35

36 Analisi qualitativa La resistenza di ingresso vista da V s aumenta con la controreazione, in quanto è vista in serie al ramo di feedback. R if = V s = V f = β g m = 1 β g m = 1 β g I m i R if = R i (1+βg m ) 1 - La controreazione stabilizza la corrente in uscita al variare del carico come se la resistenza di uscita fosse maggiore. 2 - Un eventuale generatore applicato all uscita (una volta cortocircuitato V s ) vede in serie a R o il ramo di feedback. R of = R o (1+βg m ) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III modulo 36