Amplificatori Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo1 Gli amplificatori Enzo...

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 1

Amplificatori

Gli amplificatori

Enzo Gandolfi


Amplificatori

Amplificatore

PP00 AmplificatoreAmplificatore PP11 = k = kPP00

Alimentatore

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


Amplificatori

Amplificatori

Gli amplificatori possono essere divisi in 4 categorie:

• Amplificatori di tensione

• Amplificatori di corrente

• Amplificatori a transresistenza

• Amplificatori a transconduttanza


Amplificatori

Amplificatore di tensione

Vi

Rs

AvViRiVs


Ro

Alta Ri

Bassa Ro


Amplificatori

Amplificatore di corrente

RiIs


Ii

Rs AiIi Ro

Bassa Ri

Alta Ro


Amplificatori

Amplificatore di transresistenza

RiIs

Amplificatore di transresistenzaIi

Rs rmIi

Ro

Bassa Ro

Bassa Ri


Amplificatori

Amplificatore a transconduttanza

Vi

Rs

RiVs

Amplificatore di transconduttanza

gmVi Ro

Alta Ri

Alta Ro


Amplificatori

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:

h

f

ff

j

AA

1

0

• Per la parte a bassa frequenza:

ff

j

AA

lf

1

0


Amplificatori

A

frequenza

fl

Per le Basse frequenze:

AA

jff

fo

l

1

Ao

Ao

2AoAfl


Amplificatori

A

frequenzafh

Per le Alte frequenze:

fh

fj

AA o

f

1

Ao

2AoAfh


Amplificatori

Banda Passante

A

frequenzaBanda Passante

A0

La Banda passante di un amplificatore è definita come l’intervallo di frequenze [fl,fh] nel quale l’amplificazione

è maggiore di Ao/2

fl fh

A0

2


Amplificatori

La ControreazioneLa Controreazione

AA

YY

XX YYee

• Y = Ae• e = X-Y• Y = A(X - Y)• Y = AX - A Y• Y (1+AY) = AX

La controreazione

(reazione negativa)

consiste nel portare (sottrarre)

all’ingresso parte del segnale di uscita

XA

AY

1

XA

AY

1


Amplificatori

• Dalla precedente formula risulta che, il guadagno di un amplificatore controreazionato (Ar) è:

La Controreazione

A

AAr

1

A

AAr

1

• Per valori di A molto grandi, si ottiene:

11

1lim

A

ArA

11

1lim

A

ArA


Amplificatori

Osservazione

• Controreazionando un amplificatore il suo guadagno diminuisce, infatti Ar < A.

• Il guadagno Ar, se A è elevato, dipende essenzialmente da .

• Il guadagno di un amplificatore controreazionato sarà molto piu’ stabile e controllabile poichè dipende solo da componenti passivi.


Amplificatori

Proprietà della controreazione

• Stabilizzazione del guadagno

• Modifica della risposta in frequenza quindi Riduzione della distorsione

• Modifica di Ri e R0

• (Stabilizzazione del punto di lavoro)


Amplificatori

Da AA

Ar 1

otteniamo:

22 1

1

1

1

AA

AA

A

Ar

A

A

A A

A

Ar

1

1

1

Ar

A

A A

A

Ar

r

1

1

Stabilizzazione del guadagno


Amplificatori

Osservazione

• Se un amplificatore viene controreazionato le variazioni del suo guadagno vengono attenuate di un fattore pari a (1+A).

• Ciò ci consente di avere amplificatori meno sensibili a fattori esterni.


Amplificatori

• Il guadagno di un amplificatore al variare della frequenza, viene espresso dalle seguenti formule:

h

f

ff

j

AA

1

0

ff

j

AA

lf

1

0

Per la parte ad alta frequenza

Per la parte a bassa frequenza

Controreazione e banda passante


Amplificatori


• Nel caso di amplificatori con controreazione si ha:

AA

Afr

f

f

1 Quindi per le alte frequenze:

0

0

1

0

1

0

1

1

11 Aff

j

ff

j

ff

j

AA

h

h

hhf

fj

Ahf

fj

A

fr


Amplificatori


0

0

0

0

0

0

1

1

11 Aff

j

A

A

A

Aff

j

AA

hh

fr

Dove fhr =fh(1+A0)

0

0

0

11

1

1Af

fA

A

h

hr

or

ff

A

1

Guadagno controreazionato a centro banda


Amplificatori

Controreazione e banda passante• L’amplificazione, Afr, di un amplificatore controreazionato,

per le alte frequenze può essere espresso come:

)A( f f dove

ff

AA hhr

hr

ffr 01

1

)A( f f dove

ff

AA hhr

hr

ffr 01

1

Ragionando allo stesso modo, anche per le amplificazione dei segnali a bassa frequenza si otterrà:

)A(

f f dove

f

f

AA l

lrlr

ffr

011

)A(

f f dove

f

f

AA l

lrlr

ffr

011


Amplificatori

ConclusioniConclusioni

• La controreazione aumenta la banda passante di un amplificatore, infatti dalle precedenti relazione risulta:– fhr =fh(1 + A0)– flr = fl/(1 + A0)

• Ne segue che, un amplificatore controreazionato diminuisce la distorsione del segnale in ingresso.


Amplificatori

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.

AoAor

A

frequenza

Amplificatore non controreazionatoAmplificatorecontroreazionato


Amplificatori



Amplificatore

Alimentatore

Ei Eo

Vs

RsRiVi Vo

RoRLAvVi

Rs RiIs

Ii

Ro RLVoAiIi

BASSA IMPEDENZA D’ USCITA

ALTA IMPEDENZA D’ USCITA

BASSA IMPEDENZA D’ INGRESSO

ALTA IMPEDENZA D’ INGRESSO


Amplificatori

Amplificatore a transresistenza


ViVs

RsRi

Is Rs Ri

Ii

RLVo

RormIi

gmVi Ro Vo RL

ALTA IMPEDENZA D’ USCITA

ALTA IMPEDENZA D’INGRESSO

BASSA IMPEDENZA D’ USCITA

BASSA IMPEDENZA D’ INGRESSO


Amplificatori


Vi Ri

Rs

Vf

Vf = Vo

Vs

Feedback di TENSIONE composto in SERIE

Ro

RLAvVi Vo


Amplificatori

Analisi qualitativa

La resistenza di ingresso Ri, vista da Vs, 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 Vs.

Rif = Ri (1 + Av )

)1()1(

vi

i

i

vi

i

ivi

i

fi

i

sif A

I

V

I

AV

I

VAV

I

VV

I

VR

Vs

Rs

Vi Ri

Vf

Vf = V0

AvVi

Ro

RL Vo


Analisi quantitativa: per semplicità si considera un generatore ideale Vs con resistenza interna Rs = 0.


Amplificatori

La controreazione stabilizza la tensione in uscita al variare del carico, come se la resistenza di uscita fosse minore.

Analisi qualitativa:

un eventuale generatore Vo applicato all’uscita vede in parallelo a Ro il ramo di feedback.

Rof = Ro / (1+ Av )

ovo

oo

ovo

o

o

ivo

o

o

oof R

AV

VR

VAV

V

R

VAVV

I

VR

)1(

Vs Vi

Vf

Rs

Ri

Vf= V0

AvVi

Ro

RL

Vo


Analisi quantitativa: si deve cortocircuitare Vs e procedere all’analisi del circuito tenendo presente che il ramo di feedback non assorbe corrente


Amplificatori


Ri

If = Io

RsIs If

Ii Io

RLAiIi Ro Io

Feedback di CORRENTE composto in PARALLELO


Amplificatori

)1(

1

)1( ii

i

ii

i

iii

i

io

i

if

i

s

iif AI

V

AI

V

IIA

V

II

V

II

V

I

VR

Rif = Ri / (1+Ai)

Analisi qualitativa

La resistenza di ingresso Ri vista da Is, diminuisce a causa del feedback, in quanto essa è vista in parallelo al ramo di feedback. Anche in questo caso si considera Is generatore ideale, con Rs infinita.

Ri

If = Io

Rs If

IiIo

RLAiIi Ro

IoIs



Amplificatori

1 - La controreazione stabilizza la corrente in uscita al variare del carico, come se la resistenza di uscita fosse maggiore.

2 - Un eventuale generatore Vo applicato all’ uscita (una volta aperto Is ) vede crescere Ro per effetto del feedback che è posto in serie.

Rof = Ro (1+ Ai)

o

ioo

o

oioo

o

fioo

o

iioo

o

oof I

AIR

I

IAIR

I

IAIR

I

IAIR

I

VR

)1()()()(

Ri

If = Io

Rs If

IiIo

RLAiIi Ro

VoIs


Analiticamente sostituiamo RL con Vo( nota che Io avrà verso opposto) e togliamo Is avremo:


Amplificatori

Ro

RLrm Ii Vo

Ri

If = Vo

RsIs If

Ii

Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO

Amplificatore a transresistenza


Amplificatori

Analisi qualitativa

La resistenza di ingresso vista da Is diminuisce con la controreazione in quanto è vista in parallelo al ramo di feedback.

Rif = Ri / (1+rm)

mi

i

mi

i

iim

i

io

i

if

i

s

iif rI

V

rI

V

IIr

V

IV

V

II

V

I

VR

1

1

1

Ii

Ri

Ro

Rl

Is

Rs If

If=Vo

rmIi Vo

Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO


Amplificatori

Ii

Ri

Ro

Rl

Is

Rs If

If=Vo

rmIi Vo

Analisi quantitativa

La corrente che circola nella maglia di uscita una volta aperta Is può essere calcolata partendo dalla relazione

Vo - rm Ii = Ro Io

e tenendo presente che If = Vo si ha

Vo - rm Ii = Vo+ rm Vo = Vo(1+ rm ) = Ro Io

Vo / Io = Ro / (1 + rm ) = Rof

Analisi qualitativa:

La resistenza di uscita diminuisce in quanto un generatore esterno vede Ro in parallelo al ramo di FeedbackFeedback di TENSIONE composto in PARALLELO


Amplificatori


Vi Ri

Rs

Vf

Vf = Io

Vs

Io

RLgmVi Ro Io

Feedback di CORRENTE composto in SERIE


Amplificatori

Analisi qualitativa

La resistenza di ingresso vista da Vs aumenta con la controreazione, in quanto è vista in serie al ramo di feedback.

Rif = Ri (1+gm)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 Vs) vede in serie a Ro il ramo di feedback.

Rof = Ro (1+gm)

mi

i

i

mi

i

imi

i

fi

i

sif g

I

V

I

gV

I

VgV

I

VV

I

VR

1)1(

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