Cenni sugli amplificatori

• componenti essenziali di un circuito elettronico che generalmente tratta piccoli segnali di tensione e di corrente

• può essere rappresentato come una scatola nera collegata ad un alimentatore

• riceve in ingresso un segnale con potenza Pi e in uscita ne produce uno con potenza amplificata Po

schema di un lettore CD

Il segnale elettrico che deriva dal lettore ottico del CD (qualche mV), viene preamplificato ed eventualmente filtrato per lasciare solo le frequenze udibili (20 Hz - 20 kHz). Poi passa ad un amplificatore di potenza che deve fornire al segnale una potenza sufficiente per poterlo mandare all’altoparlante.

PiAmplificatore Po = k Pi

Alimentatore linearità tutte le componenti del segnale sono amplificate dello stesso fattore

componente attivo

Amplificatori: a valvole a transistorBJT in zona attiva amplificatori in correnteJFET in zona di saturazione amplificatori in tensione

guadagno: dipende dal tipo di transistor e dal circuito esterno, fissato in fase di progetto.

Caso Ideale: il segnale in uscita da un amplificatore è una replica fedele del

segnale in ingresso, ma ha una energia maggiore (guadagno in dB)

Caso Reale: l’intervallo delle ampiezze dei segnali in ingresso (DINAMICA) che

può essere riprodotto fedelmente è limitato. Conseguenza dei limiti della dinamica è la distorsione.

Alcuni esempi interessanti: amplificatori differenziali amplificatori operazionali amplificatori controreazionati (con feedback)

• 2 ingressi V+in V-

in e 1 uscita Vout

• in un AD

dove guadagno nel modo comune Aa

guadagno nel modo differenziale Ad

Ad/ Aa= r

si chiama RAPPORTO DI REIEZIONE DEL MODO COMUNE (CMRR)

un A.D. ideale ha r = ∞ vo = Ad vd

• amplifica la differenza tra due segnali• esempio di applicazione: trasmissione a distanza di un segnale di

ampiezza ridotta, in un ambiente “rumoroso”.

l’amplificatore differenziale (A.D.) - 1

l’amplificatore differenziale (A.D.) - 2• esempio di applicazione : trasmissione a distanza di un segnale di

ampiezza ridotta, in un ambiente in cui sia presente del rumore elettronico.

• la linea di trasmissione del segnale preleva dall’ambiente il rumore che

all’arrivo risulta sommato al segnale.– consideriamo due linee di trasmissione:

sulla prima trasmettiamo il segnale +v e sulla seconda il segnale –v– ciascuna di esse preleva dall’ambiente il rumore vn

• se il circuito che riceve i segnali è un A.D. con guadagno A verrà amplificata la differenza tra segnali presenti sulle due linee: (v+vn)

(-v+vn) • il segnale all’uscita sarà:

vo = A [(v+vn) - (-v+vn)] = + 2 A v

il rumore è stato eliminato (completamente, nel caso ideale)

amplificatore a elevato guadagno (teoricamente infinito)stadio di ingresso differenziale

Amplificatore Operazionale(AO)

Vout = A·(V+ − V−) -

+

-

+

V-

V+

Vout

• 2 ingressi di segnale:• invertente (a cui corrisponde un guadagno negativo)• non invertente

•2 alimentazioni• 1 uscita

• ulteriori terminali possono essere presenti per il controllo dell’offset.

-

+

-

+

V-

V+

Vout

A.O. ideale : resistenza di ingresso = ∞

– resistenza di uscita = 0 – guadagno di tensione Av = ∞ – guadagno indipendente dalla frequenza del segnale – larghezza di banda infinita (non taglia frequenze del segnale di ingresso)– sfasamento nullo tra ingresso e uscita– guadagno nel modo comune nullo

MASSA VIRTUALE: concetto utile che semplifica l’analisi dei circuiti con AO

Av = ∞ ma Vout è finito (V+ − V−) =0 cioè i morsetti di ingresso di un AO hanno sempre la stessa tensione se V+ = 0 anche V-=0

Qualche applicazione tipica di un AO (1)

Vs

vi=0Vo

R1

R2

I

I

Vo

R2

R1 vi=0

Vs

1

2

Amplificatore in configurazione non invertente:• vi= 0 vi = V1 –Vs = R1/(R1+R2) Vo –Vs =0 (ingresso differenziale)Av = Vo/Vs=(R1+R2)/R1 = 1 + R2/R1

Ponendo R2 =0 si ha Av =1 e si può eliminare ancheR1. Si ottiene un circuito con un guadagno pari a 1detto inseguitore di tensione o buffer (adattatore di impedenza)

+

-

V2

V0=V2

Amplificatore in configurazione invertente:• corrente di ingresso nulla (Ri infinita) in R1 e R2 scorre la stessa corrente I• vi = 0 (massa virtuale-guadagno infinito e vo finita) I = Vs/R1 = - Vo/R2 Av = Vo/Vs= -R2/R1

Il guadagno dipende solo dal rapporto tra due resistenze

Qualche applicazione tipica di un AO (2)Circuito sommatore

AO in configurazione invertente può fare la

somma di più sorgenti disaccoppiate tra loro

i = i1 + i2 = v1/R1 +v2/R2 = -vo/R

vo = -R (v1/R1+v2/R2)

dt

dvC

R

v o

1

in

i1

i1

i2

Circuito integratore

sostituendo una resistenza con un condensatore in una

configurazione invertente si ottiene un integratore.

poiché l’AO non assorbe corrente i1 = i dtv

1v ino RC

L’AO fornisce una tensione d’uscita proporzionale all’integrale di quella in ingresso. Se vi=V= costante l’uscita cresce linearmente nel tempo vo = -Vt/(RC)

Circuito derivatore

Scambiando resistenza e condensatore in un circuito

integratore si ottiene un derivatore.

AO non assorbe corrente iC = i

i= C dvi/dt =- vo/R

iC

dt

dvRCv i

o

Qualche applicazione tipica di un AO (3)

Gli amplificatori possono essere divisi in 4 categorie:

• Amplificatori di tensione guadagno = Av=vout/vin

bassa impedenza di uscita

• Amplificatori di corrente guadagno = Ai=iout/iin

alta impedenza di uscita

• Amplificatori a transresistenza guadagno = R= vout/iin []

bassa impedenza di uscita

bassa impedenza di ingresso

• Amplificatori a transconduttanza guadagno = G = iout/vin [ -

1]alta impedenza di uscita

alta impedenza di ingresso

segnali in ingresso e in uscita di un amplificatore in conf. invertente con R2/R1 =2.

Vinput = sinusoide di ampiezza =1 V

Voutput = sinusoide di ampiezza =2 V, invertita rispetto a Vinput

Volt

t (microsecondi)