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

Amplificatore Alimentatore P1 = kP0 Amplificatore P0 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 P0 Amplificatore P1 = kP0 Alimentatore Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 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

Amplificatore di tensione Bassa Ro Alta Ri Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

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

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

Amplificatore a transconduttanza Alta Ro Alta Ri Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

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: Per la parte a bassa frequenza: Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Per le Basse frequenze: Ao fl Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo Per le Alte frequenze: A Ao fh frequenza Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

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/Ö2 A0 fl fh Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

La Controreazione Y = Ae e = X-Y Y = A(X - Y) Y = AX - A Y (reazione negativa) consiste nel portare (sottrarre) all’ingresso parte del segnale di uscita Y = Ae e = X-Y Y = A(X - Y) Y = AX - A Y Y (1+AbY) = AX Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo La Controreazione Dalla precedente formula risulta che, il guadagno di un amplificatore controreazionato (Ar) è: Per valori di A molto grandi, si ottiene: Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 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. Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

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) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Stabilizzazione del guadagno otteniamo: Ar Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

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

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 Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Controreazione e banda passante Nel caso di amplificatori con controreazione si ha: Quindi per le alte frequenze: Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Controreazione e banda passante Guadagno controreazionato a centro banda Dove fhr =fh(1+A0) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Controreazione e banda passante L’amplificazione, Afr, di un amplificatore controreazionato, per le alte frequenze può essere espresso come: Ragionando allo stesso modo, anche per le amplificazione dei segnali a bassa frequenza si otterrà: Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo Conclusioni 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. Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 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. Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Amplificatore di tensione Alimentatore Ei Eo Amplificatore di tensione Vs Rs Ri Vi Vo Ro RL AvVi ALTA IMPEDENZA D’ INGRESSO BASSA IMPEDENZA D’ USCITA Amplificatore di corrente BASSA IMPEDENZA D’ INGRESSO ALTA IMPEDENZA D’ USCITA Rs Ri Is Ii Ro RL Vo AiIi Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Amplificatore a transresistenza BASSA IMPEDENZA D’ INGRESSO RL Vo Ro rmIi BASSA IMPEDENZA D’ USCITA Is Rs Ri Ii Amplificatore a transconduttanza ALTA IMPEDENZA D’INGRESSO Vi Vs Rs Ri ALTA IMPEDENZA D’ USCITA gmVi Ro Vo RL Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

 Amplificatore di tensione Vi Ri Rs Vf Vf =  Vo Vs Ro RL AvVi Vo Feedback di TENSIONE composto in SERIE Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 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.  Vs Rs Vi Ri Vf Vf =  V0 AvVi Ro RL Vo Feedback di TENSIONE composto in SERIE Analisi quantitativa: per semplicità si considera un generatore ideale Vs con resistenza interna Rs = 0. Rif = Ri (1 +  Av ) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 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. Rs Ri Vf=  V0 AvVi Ro RL Vs Vi Vo Vf  Feedback di TENSIONE composto in SERIE Analisi quantitativa: si deve cortocircuitare Vs e procedere all’analisi del circuito tenendo presente che il ramo di feedback non assorbe corrente Rof = Ro / (1+ Av ) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

 Amplificatore di corrente Ri If =  Io Rs Is If Ii Io RL AiIi Ro Feedback di CORRENTE composto in PARALLELO Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 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. Ii Io RL AiIi Ro Io Is Ri Rs If If =  Io  Feedback di CORRENTE composto in PARALLELO Rif = Ri / (1+Ai) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo  Ri If =  Io Rs If Ii Io RL AiIi Ro Vo Is 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 Vo applicato all’ uscita (una volta aperto Is ) vede crescere Ro per effetto del feedback che è posto in serie. Analiticamente sostituiamo RL con Vo( nota che Io avrà verso opposto) e togliamo Is avremo: Rof = Ro (1+ Ai) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

 Amplificatore a transresistenza Ro RL rm Ii Vo Ii Is Rs If Ri If =  Vo Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo Analisi qualitativa La resistenza di ingresso vista da Is diminuisce con la controreazione in quanto è vista in parallelo al ramo di feedback. Ii Ro Is Rl Rs If rmIi Vo Ri If=bVo b Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO Rif = Ri / (1+rm) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Vo / Io = Ro / (1 +  rm ) = Rof Analisi qualitativa: Ii Ro Is Analisi qualitativa: La resistenza di uscita diminuisce in quanto un generatore esterno vede Ro in parallelo al ramo di Feedback Rl Rs If rmIi Vo Ri If=bVo b Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO 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 Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

 Amplificatore a transconduttanza Vi Ri Rs Vf Vf =  Io Vs Io RL gmVi Ro  Feedback di CORRENTE composto in SERIE Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 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) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo