Sistemi e tecnologie elettroniche/Gli amplificatori
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Vista dall'esterno[modifica | modifica sorgente]
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:
- <math>V \rightarrow V</math>: amplificatore di tensione
- <math>I \rightarrow I</math>: amplificatore di corrente
- <math>I \rightarrow V</math>: amplificatore di transresistenza <math>R_m = {V \over I}</math>
- <math>V \rightarrow I</math>: amplificatore di transconduttanza <math>G_m = {I \over V}</math>
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 <math>V_{\text{in}} = V_1</math>;
- a destra: porta di uscita a cui è applicata la tensione <math>V_{\text{out}} = V_2</math>;
- in alto: alimentazione, costituita da una tensione costante <math>V_A</math>.
5 Flusso del segnale: porta di ingresso → amplificatore → porta di uscita
La tensione di uscita <math>V_{\text{out}}</math> è misurata sulla resistenza di carico, che si comporta da utilizzatore quando riceve il segnale.
Guadagno di potenza[modifica | modifica sorgente]
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 <math>A_V</math> determina di quanto è aumentato il valore di picco (= ampiezza massima) del segnale:
- <math>V_{{\text{out}}_p} = A_V \cdot V_{{\text{in}}_p}</math>
8 Si potrebbe realizzare un amplificatore tramite un trasformatore (ideale), il cui numero di spire sia legato ad <math>A_V</math>, ma la potenza di uscita sarebbe uguale a quella in ingresso: <math>V_1 I_1=V_2 I_2</math>
9 Il guadagno di potenza, espresso in decibel (dB), è un modo per calcolare il rapporto tra le potenze:
- <math>G_P = K_P\left( \text{dB} \right) = 10 \log_{10} K_p</math>
dove <math>K_P={P_{\text{out}} \over P_{\text{in}}}</math> è una quantità adimensionata detta rapporto di potenza. Se <math>P_{\text{in}}=P_{\text{out}} \Rightarrow G_P \left( \text{dB} \right)=0</math>. Se <math>P_{\text{out}} = 1 \; \text{mW}</math>, l'unità di misura del guadagno diventa il dBm.
10 Esprimendo il guadagno di potenza tramite i rapporti tra tensioni e resistenze:
- <math>P = {V^2 \over R} \Rightarrow K_P = {\left( {V_u \over V_i} \right)}^2 \left( {R_i \over R_u} \right)</math>
e supponendo uguali le resistenze <math>R_i</math> e <math>R_u</math>:
- <math>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}</math>[1]
11 Se più amplificatori sono connessi in cascata, le amplificazioni <math>A_V</math> si moltiplicano e i guadagni <math>G_P=A_V \left( \text{dB} \right)</math> si sommano. Si chiama tensione picco-picco la differenza tra i valori massimo e minimo di tensione: <math>V_{PP}=2V_P</math>.
12 Se invece <math>\begin{cases} V_{\text{in}} = V_{\text{out}} \Rightarrow A_V = 1 \\ R_{\text{in}} \neq R_{\text{out}} \end{cases}</math>, l'amplificazione del segnale è proporzionale al rapporto tra le resistenze.
Struttura interna[modifica | modifica sorgente]
Amplificatore di tensione[modifica | modifica sorgente]
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 <math>R_i</math> e <math>R_u</math> dissipano potenza.
15 effetto degli ingressi: Con uscita a vuoto (<math>R_c = +\infty \Rightarrow V_u = A_V V_1</math>), la tensione del generatore reale <math>V_i</math> si ripartisce tra la resistenza del generatore <math>R_g</math> e la resistenza di ingresso <math>R_i</math>:
- <math>V_1=V_i {R_i \over R_i+R_g }</math>
16 effetto delle uscite: Con generatore ideale in ingresso (<math>R_g = 0 \Rightarrow V_i = V_1</math>), la tensione <math>V_1 A_V</math> si ripartisce tra la resistenza di uscita <math>R_u</math> e la resistenza di carico <math>R_c</math>:
- <math>V_u=A_V V_1 {R_c \over R_c+R_u }</math>
17 La funzione di trasferimento complessiva tiene conto degli effetti combinati della resistenza d'ingresso <math>R_i</math> e di quella d'uscita <math>R_u</math>:
con uscita a vuoto | con generatore ideale | effetto complessivo |
---|---|---|
<math>{V_u \over V_i} = A_V {R_i \over R_i+R_g}</math> | <math>{V_u \over V_i} = A_V {R_c \over R_u+R_c}</math> | <math>{V_u \over V_i} = A_V {R_i \over R_i+R_g} {R_c \over R_u + R_c}</math> |
Casi ideali[modifica | modifica sorgente]
Idealmente, i generatori in ingresso devono essere ideali, e il carico deve ricevere tutta la tensione <math>A_V V_i</math>:
- 24 ingressi in tensione: <math>R_i \rightarrow +\infty \Rightarrow R_G \rightarrow 0</math>
- 25 ingressi in corrente: <math>R_i \rightarrow 0 \Rightarrow R_g \rightarrow +\infty</math>
- 26 uscite in tensione: <math>R_u \rightarrow 0 \Rightarrow V_u = A_V V_i</math>
- uscite in corrente: <math>R_u \rightarrow +\infty \Rightarrow I_2 = I</math>
Casi reali[modifica | modifica sorgente]
- 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 | modifica sorgente]
31-32 Il modello più semplice di amplificatore è definito dai 3 parametri <math>R_i</math>, <math>R_u</math>, <math>A_V</math>:
- <math>\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}</math>
Qualunque doppio bipolo con generatore pilotato, applicando il teorema di Thevenin, si può ricondurre al modello più semplice.
Doppi bipoli in cascata[modifica | modifica sorgente]
35 Due doppi bipoli sono in cascata se la tensione di uscita del primo è quella di ingresso del secondo. Una catena di <math>N</math> 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 <math>R_i</math>: coincide con la resistenza di ingresso <math>R_{i_1}</math> del primo modulo:
- <math>R_i = R_{i_1}</math>
- resistenza equivalente di uscita <math>R_u</math>: coincide con la resistenza di uscita <math>R_{u_N}</math> dell'ultimo modulo:
- <math>R_u=R_{u_N}</math>
Note[modifica | modifica sorgente]
- ↑ Vedi anche Una nota di cautela sul fattore 20 su Wikipedia.
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