Traccia delle lezioni sugli AMPLIFICATORI Amplificatore differenziale a BJT Amplificatori operazionali. Sorgenti Controllate e Amplificatori Classificazione degli amplificatori Amplificazione con “feedback”. Effetti del “feedback” sugli amplificatori. Applicazioni degli amplificatori operazionali. Integratori, differenziatori, giratori, DAC. Comparatori

Amplificatore differenziale a transistor (Millman-Grabel Cap VCC RC RC vu v1 v2 RB RB RE ICC Esp-3 AA 13-14

Amplificazione dell’amplificatore differenziale a transistor Supponiamo di inviare nei due ingressi due segnali opposti: v1=-v2=Dv . Come conseguenza la somma delle correnti di emettitore non varia e l’amplificazione del circuito è b RC/rp il cui valore numerico è O(102). Se invece inviamo nei dei ingressi lo stesso segnale v1=v2=Dv l’amplificazione vale ~RC/2RE il cui valore numerico è O(10). Di conseguenza questo amplificatore (di tipo differenziale) amplifica maggiormente la differenza tra gli ingressi mentre tende ad essere meno sensibile al loro modo comune Esp-3 AA 13-14

Amplificatore differenziale tensione di uscita per segnali qualsiasi Esp-3 AA 13-14

Amplificatore Operazionale Ideale L’amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale di tensione accoppiato in continua con alto guadagno di tensione. Ingresso invertente _ Uscita Ingresso non invertente + Simbolo circuitale dell’amplificatore operazionale (ideale) Esp-3 AA 13-14

Caratteristiche dell’Amplificatore Operazionale Ideale Resistenza d’ingresso infinita Resistenza d’uscita zero Amplificazione infinita (Implica la massa virtuale) Risposta uniforme a tutte le frequenze (0-∞) Se v+=v- allora vu=0. Esp-3 AA 13-14

Applicazioni dell’operazionale (ideale) Massa virtuale Esp-3 AA 13-14

Applicazioni dell’operazionale (cont.) Circuito per la somma pesata di tensioni Questo circuito può essere usato come un DAC se Rk=R0/ 2k e se le tensioni in ingresso rappresentano un numero digitale (linea 0 LSB e linea 3 MSB) Esp-3 AA 13-14

AMPLIFICATORI REAZIONATI (Millman-Grabel sez.3-1,12-1-2-3-4-5) Corrispondenza tra amplificatori e generatori controllati Classificazione degli amplificatori e condizioni di idealità in relazione alle impedenze. Concetto di “Feedback” e sua formulazione matematica Effetto della reazione sui parametri degli amplificatori. Altre applicazioni degli operazionali: Integratore Differenziatore Giratore. Esp-3 AA 13-14

Generatori controllati e amplificatori I generatori controllati sono i dispositivi con i quali è possibile descrivere il comportamento degli amplificatori. Nella figura seguente è mostrato un generatore di corrente controllato in corrente. La corrente di uscita Io è legata a quella di ingresso dal parametro A (amplificazione di corrente). L’effetto della corrente in ingresso è trasferito in uscita attraverso il generatore. L’uscita non ha alcun effetto sull’ingresso. In questo caso la rete è detta unilaterale. Io Rs i1 v2 vs ~ RL Aii1 Esp-3 AA 13-14

Classificazione degli amplificatori Quattro tipi di Amplificatori: uno per ogni tipo di generatore controllato. Amp. di Tensione AV Amp. di Corrente AI Amp. a Transconduttanza G (convertitore Tensione Corrente) Amp. a Transimpedenza Z (convertitore Corrente Tensione) Esp-3 AA 13-14

Amplificatore di tensione Rs Ro + + RL Vu Vs Vi AVVi Ri - - Condizione di idealità: Esp-3 AA 13-14

Amplificatore di corrente Iu Ii Is Rs Ri Ru RL AiIi Condizione di idealità: Esp-3 AA 13-14

Amplificatore a Transconduttanza Convertitore Tensione - Corrente Iu Rs + Vs Vi Ru RL - GVi Condizione di idealità: Esp-3 AA 13-14

Amplificatore a Transimpedenza Convertitore Corrente - Tensione Ii Ru + + Is Rs Ri ZIi RL Vu - - Condizione di idealità: Esp-3 AA 13-14

Il concetto di “FEEDBACK” La reazione o feedback è la procedura che riporta in ingresso una frazione del segnale di uscita in modo che la somma dei due segnali sia quella in ingresso al sistema. Ii Io + Sorg. Rete di Somma + Ampl. Rete di Campio- namento. + Carico. Vi Vu _ _ _ If + Rete Reaz. Vf _ Esp-3 AA 13-14

La Rete di Campionamento Carico Ampl. Ampl. Io Carico Iu Ru + Ru RL Vu RL _ AIi AVi Rete di Feedback Rete di Feedback (a) Campionamento della tensione di uscita (b) Campionamento della corrente di uscita Esp-3 AA 13-14

La Rete di Confronto o Somma + Ampl. Ampl. Ii Vi Ri _ Rete di Feedback Rete di Feedback + If Vf _ (a) Confronto in serie o Somma di tensione (b) Confronto in parallelo o Somma di corrente Vi  Vs – Vf Ii  Is – If Esp-3 AA 13-14

L’Amplificatore Reazionato ideale X indica corrente oppure tensione a seconda dei casi AOL indica l’amplificazione, detta Open Loop, dell’amplificatore b indica la frazione del segnale di uscita riportato in ingresso Xs=Xi+Xf Xu=AOL Xi AOL Xs S _ b Xf=bXu Esp-3 AA 13-14

Assunzioni di base per il calcolo dell’amplificazione con reazione Il segnale di ingresso e trasmesso all’uscita solo attraverso l’amplificatore e NON attraverso la rete di reazione – La rete di feedback è unilaterale Il segnale di feedback ingresso è trasmesso dall’uscita all’ingresso solo attraverso la rete b. L’amplificatore è unilaterale. Il rapporto di trasferimento b non dipende dal carico o dalla impedenza del generatore Esp-3 AA 13-14

Effetti della reazione sull’amplificatore Stabilizzazione del guadagno Esp-3 AA 13-14

Effetti della reazione sull’amplificatore cont. La reazione tende a rendere “ideali” le impedenze di ingresso e di uscita dell’amplificatore. Esempio. L’impedenza di ingresso di un amplificatore di tensione con reazione in serie (reazione di tensione) è: Esp-3 AA 13-14

Effetti della reazione sull’impedenza di uscita dell’amplificatore. Carico Ampl. Ampl. Iu Io Carico + + Ru Vu RL AVi _ Ru RL AIi Rete di Feedback Rete di Feedback Esp-3 AA 13-14

L’amplificatore operazionale mA741 Esp-3 AA 13-14

Operazionale reale: mA741 Esp-3 AA 13-14

Caratteristiche del uA741 Ideali ua741 (valori tipici) Open Loop gain A  105 Bandwidth BW 10Hz Input Impedance Zin 2M Output Impedance Zout 0  80  CMRR 100dB Esp-3 AA 13-14

Risposta in frequenza di un operazionale reale Esp-3 AA 13-14

Risposta in frequenza di un operazionale La risposta in frequenza di un amplificatore reazionato ha lo stesso andamento di quella senza reazione, ovvero Passa Basso con frequenza di taglio wH. (detta anche Banda Passante) In un amplificatore reazionato prodotto fra banda passante e la sua amplificazione a frequenza nulla è una costante. Esp-3 AA 13-14

Integratore con operazionale Esp-3 AA 13-14

L’amplificatore operazionale reale (Millman Grabel: ) Vio Ro + - v+ + + Ri A(v+-v-) - v- - IB+ IB- Vio Tensione di offset di ingresso IB+ IB+ Correnti di polarizzazione “bias” Esp-3 AA 13-14

Esempio di circuito reale Integratore con operazionale Esp-3 AA 13-14

Derivatore con operazionale Il differenziatore ideale è intrinsecamente instabile per l’inevitabile presenza del rumore elettrico in ogni sistema elettronico. Un differenziatore ideale amplificherebbe questo pur piccolo rumore. Supponiamo che di avere un rumore di ampiezza 1mV ad una frequenza di 10Mhz. Se applicato al circuito di figura (senza resistenza in ingresso e capacità di feedback) in uscita si avrebbero 63V! Per prevenire questo problema si aggiunge una resistenza in serie e un condensatore in parallelo al feedback. In questo modo, tuttavia, si trasforma il differenziatore in un integratore per le alte frequenze Esp-3 AA 13-14

Analisi in frequenza dell’Integratore/Differenziatore Esp-3 AA 13-14

DAC con circuito a scala R-2R LSB MSB d0 d1 d2 d3 2 4 8 RF 2R 2R 2R 2R + _ R R R 2R Vo 2R Vu Esp-3 AA 13-14

Circuito Giratore Il circuito giratore è un quadrupolo definito dalle seguenti relazioni costitutive: I1 I2 r V1 V2 Il circuito giratore è lineare, passivo e “privo di memoria”. La caratteristica fondamentale del Giratore è lo scambio fra corrente e tensione tra le due porte. Se chiudiamo la porta 2 su una resistenza R si ha Esp-3 AA 13-14

Circuito Giratore (cont.) Se chiudiamo la porta 2 su una capacità C si ha Vista dalla porta 1 la capacità appare come un induttanza Esp-3 AA 13-14

Circuito Giratore (cont.) Esp-3 AA 13-14

Circuito Giratore (con due operazionali) Vi Vu1 Vu2 Esp-3 AA 13-14

Amplificatori operazionali non reazionati COMPARATORI Uso di un operazionale senza reazione: se: v+>v-  vo= vmax (+V) se: v+<v-  vo= vmin (–V/0) V0 – + Resistenza di «pull-up» RC L’uscita è di tipo Open Collector (utilizzabile in circuiti digitali) V0 R2 RC V1 – + V0 RC R2 R1 vi(t) vi(t) – vu(t) V1 + R1 vu(t) R3 vi(t) vi(t) vi(t) vu(t) vu(t) rimbalzi Esp-3 AA 13-14