Sistemi e tecnologie elettroniche/Gli amplificatori

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Vista dall'esterno[modifica]

2 L'amplificatore restituisce in uscita un certo segnale con più potenza del segnale in ingresso. Deve tendere ad essere un modulo lineare, cioè deve replicare il segnale deteriorandolo il meno possibile.

3 Gli amplificatori sono specifici in base alla frequenza del segnale.

22 A seconda se i segnali in ingresso e in uscita sono correnti o tensioni:

  • V \rightarrow V: amplificatore di tensione
  • I \rightarrow I: amplificatore di corrente
  • I \rightarrow V: amplificatore di transresistenza R_m = {V \over I}
  • V \rightarrow I: amplificatore di transconduttanza G_m = {I \over V}

4 In un amplificatore di tensione si possono distinguere 4 terminali:

  • in basso: terminale comune (a cui sono collegate tutte le tensioni);
  • a sinistra: porta di ingresso a cui è applicata la tensione di ingresso V_{\text{in}} = V_1;
  • a destra: porta di uscita a cui è applicata la tensione V_{\text{out}} = V_2;
  • in alto: alimentazione, costituita da una tensione costante V_A.

5 Flusso del segnale: porta di ingresso → amplificatore → porta di uscita

La tensione di uscita V_{\text{out}} è misurata sulla resistenza di carico, che si comporta da utilizzatore quando riceve il segnale.

Guadagno di potenza[modifica]

6 L'alimentazione fornisce l'energia necessaria per amplificare la tensione di ingresso. Avviene però una dispersione dell'energia → si definisce efficienza il rapporto tra la potenza fornita al carico e la potenza fornita dall'alimentatore.

7 L'amplificazione di tensione A_V determina di quanto è aumentato il valore di picco (= ampiezza massima) del segnale:

V_{{\text{out}}_p} = A_V \cdot V_{{\text{in}}_p}

8 Si potrebbe realizzare un amplificatore tramite un trasformatore (ideale), il cui numero di spire sia legato ad A_V, ma la potenza di uscita sarebbe uguale a quella in ingresso: V_1 I_1=V_2 I_2

9 Il guadagno di potenza, espresso in decibel (dB), è un modo per calcolare il rapporto tra le potenze:

G_P = K_P\left( \text{dB} \right) = 10 \log_{10} K_p

dove K_P={P_{\text{out}} \over P_{\text{in}}} è una quantità adimensionata detta rapporto di potenza. Se P_{\text{in}}=P_{\text{out}} \Rightarrow G_P \left( \text{dB} \right)=0. Se P_{\text{out}} = 1 \; \text{mW}, l'unità di misura del guadagno diventa il dBm.

10 Esprimendo il guadagno di potenza tramite i rapporti tra tensioni e resistenze:

P = {V^2 \over R} \Rightarrow K_P = {\left( {V_u \over V_i} \right)}^2 \left( {R_i \over R_u} \right)

e supponendo uguali le resistenze R_i e R_u:

K_P = {\left( {V_u \over V_i} \right)}^2 \Rightarrow G_P = 2 \cdot 10 \log_{10} \left| {V_u \over V_i} \right| = 20 \log_{10} \left| A_V \right| = A_V \left( \text{dB} \right) \Rightarrow A_V = \sqrt{K_P}[1]

11 Se più amplificatori sono connessi in cascata, le amplificazioni A_V si moltiplicano e i guadagni G_P=A_V \left( \text{dB} \right) si sommano. Si chiama tensione picco-picco la differenza tra i valori massimo e minimo di tensione: V_{PP}=2V_P.

12 Se invece \begin{cases} V_{\text{in}} = V_{\text{out}} \Rightarrow A_V = 1 \\
R_{\text{in}} \neq R_{\text{out}} \end{cases}, l'amplificazione del segnale è proporzionale al rapporto tra le resistenze.

Struttura interna[modifica]

Amplificatore di tensione[modifica]

13 All'interno vi è un generatore di tensione pilotato in uscita.

Idealmente, tutti i generatori sono ideali e non vi sono resistenze → nessuna perdita. 14 In realtà, le resistenze interne R_i e R_u dissipano potenza.

15 effetto degli ingressi: Con uscita a vuoto (R_c = +\infty \Rightarrow V_u = A_V V_1), la tensione del generatore reale V_i si ripartisce tra la resistenza del generatore R_g e la resistenza di ingresso R_i:

V_1=V_i  {R_i \over R_i+R_g }

16 effetto delle uscite: Con generatore ideale in ingresso (R_g = 0 \Rightarrow V_i = V_1), la tensione V_1 A_V si ripartisce tra la resistenza di uscita R_u e la resistenza di carico R_c:

V_u=A_V V_1  {R_c \over R_c+R_u }

17 La funzione di trasferimento complessiva tiene conto degli effetti combinati della resistenza d'ingresso R_i e di quella d'uscita R_u:

con uscita a vuoto con generatore ideale effetto complessivo
{V_u \over V_i} = A_V  {R_i \over R_i+R_g} {V_u \over V_i} = A_V  {R_c \over R_u+R_c} {V_u \over V_i} = A_V  {R_i \over R_i+R_g} {R_c \over R_u + R_c}

Casi ideali[modifica]

Idealmente, i generatori in ingresso devono essere ideali, e il carico deve ricevere tutta la tensione A_V V_i:

  • 24 ingressi in tensione: R_i \rightarrow +\infty \Rightarrow R_G \rightarrow 0
  • 25 ingressi in corrente: R_i \rightarrow 0 \Rightarrow R_g \rightarrow +\infty
  • 26 uscite in tensione: R_u \rightarrow 0 \Rightarrow V_u = A_V V_i
  • uscite in corrente: R_u \rightarrow +\infty \Rightarrow I_2 = I

Casi reali[modifica]

  • 23 ingressi in tensione: amplificatori per microfono, circuiti logici;
  • ingressi in corrente: sensori ottici (fotodiodi, telecomandi con infrarossi) che convertono l'onda elettromagnetica in corrente;
  • uscite in tensione: alimentazione di circuiti elettronici, lampadine;
  • uscite in corrente: motori, attuatori elettromagnetici, caricabatterie.

Da rete a doppio bipolo[modifica]

31-32 Il modello più semplice di amplificatore è definito dai 3 parametri R_i, R_u, A_V:

\begin{cases} R_i = {V_i \over I_i} \\
R_u = {V_{u_{\mathrm{vuoto}}} \over I_{u_{\mathrm{cortocircuito}}}} \\
A_V = {V_{u_{\mathrm{vuoto}}} \over V_i} \end{cases}

Qualunque doppio bipolo con generatore pilotato, applicando il teorema di Thevenin, si può ricondurre al modello più semplice.

Doppi bipoli in cascata[modifica]

35 Due doppi bipoli sono in cascata se la tensione di uscita del primo è quella di ingresso del secondo. Una catena di N doppi bipoli si può ricondurre a un singolo doppio bipolo equivalente di parametri:

  • 36 funzione di trasferimento complessiva: è il prodotto delle funzioni di trasferimento dei singoli moduli;
  • resistenza equivalente di ingresso R_i: coincide con la resistenza di ingresso R_{i_1} del primo modulo:
    R_i = R_{i_1}
  • resistenza equivalente di uscita R_u: coincide con la resistenza di uscita R_{u_N} dell'ultimo modulo:
    R_u=R_{u_N}

Note[modifica]

  1. Vedi anche Una nota di cautela sul fattore 20 su Wikipedia.
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