Un fenomeno fisico, quale ad esempio un suono, può essere trasformato in segnale elettrico attraverso un trasduttore ed essere elaborato in qualche modo.
Nella maggior parte dei casi però, il segnale in uscita dal trasduttore è troppo debole e necessita di essere amplificato e a tale scopo si impiegano gli amplificatori. La caratteristica fondamentale di un amplificatore è la linearità, cioè si deve ottenere in uscita di esso l'esatta copia del segnale in ingresso ma con ampiezza maggiore. Ogni alterazione del segnale si dice distorsione ed è ovviamente indesiderata. Un amplificatore che conservi nei dettagli la forma d'onda del segnale è caratterizzato dalla relazione:
Dove Vi e Vo sono rispettivamente i segnali d'ingresso e di uscita ed A è una costante che rappresenta il valore dell'amplificazione, chiamata "guadagno dell'amplificatore".
GUADAGNO
DI TENSIONE, CORRENTE E POTENZA
Un'amplificatore lineare riceve in ingresso un segnale Vi(t) e fornisce in uscita ad un carico Rl un segnale Vo(t) che è una copia ingrandita di Vi(t).
Il guadagno di tensione Av dell'amplificatore è definito dalla relazione:
Un amplificatore, a differenza di un trasformatore, fornisce al carico una potenza maggiore di quella prelevata dalla sorgente di segnale ed il guadagno di potenza Ap è definito dalla relazione:
Ap = Pl/Pi = VoIo/ViIi
dove Pi e Pl sono rispettivamente la potenza assorbita dall amplificatore e quella fornita al carico.
Le Ii e Io sono le correnti assorbita e fornita al carico per cui si ha un guadagno di corrente Ai definito come:
Ai = Io/Ii
Segue quindi che: Ap = AvAi
In molti casi, quando si hanno guadagni molto elevati, si preferisce esprimerli tramite logaritmi da cui si ha la scala dei decibel dB espressa come:
Quindi un guadagno di -20dB indica che il segnale in uscita è un decimo di quello in ingresso.
Un segnale qualsiasi può essere espresso mediante la somma di segnali sinusoidali di ampiezza e frequenza diverse ne segue che un modo di caratterizzare un amplificatore è quello di esaminare la sua risposta a segnali di ingresso sinusoidali di varia frequenza. Tale caratterizzazione è conosciuta come risposta in frequenza dell'amplificatore.
Applicando una sinusoide di ampiezza Vi e frequenza f, la sinusoide in uscita avrà un'ampiezza e una fase diverse dalla sinusoide d'ingresso. Il rapporto tra l'ampiezza in uscita e in entrata, a varie frequenze, indica la funzione di trasferimento dell'amplificatore. Graficando tali rapporti a varie frequenze si hanno i grafici della risposta in ampiezza e di fase. (Vedi figure)
Normalmente il grafico della risposta in ampiezza è nella scala dei decibel. La banda di frequenze all'interno della quale l'amplificazione si mantiene quasi costante o entro un certo numero di decibel (in genere 3dB) viene chiamata larghezza di banda o banda passante. (Vedi figura)
Dagli anni '60 l'uso di questo tipo di amplificatore ha visto una crescita impressionante ed oggi è il componente maggiormente impiegato nella costruzione di amplificatori.
Esso è un amplificatore differenziale, cioè amplifica la differenza tra i segnali ai suoi ingressi e, per questo, è anche impiegato per "ripulire" un segnale da eventuali disturbi sottraendo quest'ultimi dal segnale "disturbato".
Idealmente un'operazionale presenta un guadagno infinito e, mediante un anello di controreazione è possibile ottenere il guadagno desiderato. Disponendo di segnali molto piccoli (nell'ordine dei mV) è possibile ottenere un segnale amplificato di ampiezza quasi pari all'alimentazione dell'operazionale stesso (oltre si ha la saturazione e quindi una distorsione).
Un amplificatore operazionale ha anche la notevole caratteristica di avere un'elevatissima impedenza d'ingresso ed una piccolissima impedenza d'uscita avvicinandosi alle caratteristiche di un amplificatore ideale.
Dato che non è in grado di fornire in uscita delle correnti elevate, esso è impiegato maggiormente negli stadi pilota dei finali di potenza realizzati a transistor.
Si
riportano alcune configurazioni fondamentali degli amplificatori operazionali
ideali: (Vedi figura)
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Un filtro attivo si differenzia dai passivi in quanto l'ampiezza del segnale d'uscita non è inferiore a quella del segnale d'ingresso all'interno della sua frequenza d'intervento. Il filtro attivo è impiegato maggiormente tra la sorgente di segnale e l'amplificatore, quando il segnale è ancora a bassa potenza, con il vantaggio di ridurre al minimo le dissipazioni di potenza caratteristiche dei filtri passivi posti tra l'amplificatore ed il carico.
Nello studio di un filtro attivo si considerano la banda passante e la banda di arresto, rispettivamente la banda di frequenza che si deve ritrovare in uscita e quella che deve essere eliminata.
I parametri fondamentali del filtro attivo sono 4:
- Il bordo della banda passante Fp;
- La massima variazione consentita nella trasmissione della banda passante Amax;
- Il bordo della banda di arresto Fs;
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La minima attenuazione richiesta dalla banda di arresto Amin;
Per avvicinarsi alle caratteristiche di un filtro ideale è necessario ridurre Amax, aumentare Amin e/o avvicinare ad 1 il rapporto Fs/Fp. Tuttavia il circuito del filtro risultante deve essere di ordine più elevato e quindi più costoso. (Vedi figura)
L'ordine
del filtro è definito dal grado N del denominatore della
funzione
di trasferimento T(s) che descrive il comportamento del filtro (Vedi
figura):
Un filtro è stabile quando il grado M del numeratore è minore o uguale a N.
I filtri attivi sono normalmente realizzati con operazionali. Si riportano di seguito i filtri del 1° ordine più comunemente impiegati (Vedi figura)
I transistors si dividono in due tipi principali: BJT e MOSFET.
TRANSISTOR BJT
I transistor a giunzione bipolare BJT (bipolar junction transistor) furono creati alla fine degli anni '40 e commercializzati agli inizi degli anni '60. Esso è costituito da tre elementi di silicio, due N ed uno P o viceversa drogati con fosforo (N) e con boro (P). In base al tipo di drogaggi vengono classificati in NPN e PNP.
Considerando il tipo NPN esso presenta tre terminali in corrispondenza di ogni elemento: collettore (fortemente drogato N), la base (debolbente drogata P) e l'emettitore (fortemente drogata N). In base ai drogaggi ed alle forme geometriche delle regioni si hanno diverse caratteristiche del transitor.
Il BJT può essere connesso con tre configurazioni fondamentali: ad emettitore comune, a collettore comune e a base comune ed in base alle tensioni applicate si hanno tre stati di lavoro: interdetto, attivo, saturo. In seguito si farà riferimento solo al funzionamento attivo, in quanto gli altri due stati non interessano l'argomento degli amplificatori di segnali.
Nella configurazione ad emettitore comune il segnale viene applicato alla base e si ritrova amplificato sul collettore ma sfasato di 180°.
V0 = Vcc - Rc Ic dove Ic = hfe Ib e Ib = (Vi - 0.7) / Rb
Nella configurazione a collettore comune il segnale viene applicato alla base e si preleva dall'emettitore con circa la stessa ampiezza di quello in ingresso ma capace di erogare correnti maggiori e quindi con più potenza, per tale caratteristica questa configurazione viene impiegata per gli stadi finali di potenza negli amplificatori.
V0 ~ Vi
Nella configurazione a base comune il segnale viene applicato all'emettitore e prelevato amplificato sul collettore.
TRANSISTOR MOSFET
Il transistor ad effetto di campo a giunzione metallica MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) è oggi il più impiegato nella costruzione di apparati elettronici ed amplificatori di potenza. Esso è costituito da un substrato di silicio P sul quale sono ricavate due regioni N di source e drain ed un'altra regione di isolante per il terminale di gate, nel substrato è presente un'altro terminale body generalmente connesso a massa. I mosfet si dividono in N-MOS e P-MOS nei quali le regioni sono drogate in modo opposto al tipo prima descritto.
La tensione sul gate crea una zona di conduzione nel substrato di silicio tra il source e il drain in base alla tensione Vgs.
Si distinguono tre modi di funzionamento rispettivamente come: interdizione, regione di triodo e saturazione, quest'ultima corrispondente alla zona attiva del bjt.
In interdizione, sul gate è presente un tensione Vgs minore di quella di soglia Vt , quindi non si forma il canale di conduzione tra source e drain e si ha un circuito aperto.
In regione di triodo la Vds è minore di Vgs e la corrente che scorre nel transistor Id dipende da Vds:
Id = K(2(Vgs-Vt)Vds-Vds2)
Anche nel MOSFET si hanno tre configurazioni fondamentali: source comune, drain comune e gate comune.
Nella configurazione a source comune, in zona di saturazione, la Vds è maggiore di Vgs e la Id dipende linearmente da Vgs.
Vds = Vcc - Id Rd dove Id = K(Vgs-Vt)2
che sviluppato in serie di Taylor fornosce la dipendenza lineare.
Il segnale in uscita risulta sfasato di 180°.
Nella configurazione a drain comune, il segnale è applicato al gate e prelevato sul source con la stessa ampiezza di quello in ingresso ma con molta più potenza ed è maggiormente impiegata negli stadi finali di potenza degli amplificatori.
Nella configurazione a gate comune il segnale è applicato al source e prelevato amplificato al drain.
Gli stadi finali di potenza sono la parte terminale di un amplificatore direttamente connessa con il carico esterno. Essi sono classificati in quattro classi: A, B, AB e C.
CLASSE A
In questo tipo di finale, la corrente di polarizzazione Ic del transistor finale Q1 è maggiore di quella massima Il assorbita dal carico, in questo modi il transistor conduce per tutto il periodo del segnale cioè sia la semionda positiva che quella negativa.
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Il secondo transistor Q2 è impigato come generatore di corrente costante per la polarizzazione del Q1.
Il transistor Q1 è nella configurazione a collettore comune, si comporta quindi come un inseguitore di emettitore ottenendo in uscita un segnale di ampiezza pari a quello in ingresso sulla base.
In base alla tensione sul carico si avrà una diversa Vce ed Ic di Q1 secondo i seguenti grafici.
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La potenza media dissipata da Q1 e Q2:
PQ = 2Vcc I
La potenza media PL rms del carico, considerando una tensione di picco Vo p è data da:
Vo rms = Vo p / 2½ da cui PL rms = Vo p2 / 2 x 1/RL = ½ Vo p2 / RL
Considerando la condizione in cui Vo p= Vcc = I RL si ha un rendimento µ:
µ = PL rms / PQ = (½ Vo p2 / RL) / (2Vcc I) = ¼ Vo p2 / (Vcc I RL)
Cioè la potenza massima trasferita al carico è circa il 25% di quella totale. A tale scopo, i finali in classe A sono impiegati per piccoli carichi ed in altissima fedeltà.
CLASSE B
Nella configurazione della classe B si hanno due transistor di giunzioni opposte (es. NPN e PNP) complementari in funzionamento push-pull (tira-molla). I due transistor sono in configurazione a collettore comune come inseguitore di emettitore, il segnale in uscita ha la stessa ampiezza di quello in ingresso, e condurranno singolarmente per la semionda positiva o negativa, quindi per mezzo periodo.
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Il transistor Q1 entra in conduzione quando la semionda positiva supera la tensione di soglia del transistor mentre il transistor Q2 conduce quando la semionda negativa scende sotto la tensione di soglia. Quando il segnale è tra i due valori di soglia, entrambi i transistor sono interdetti non fornendo corrente al carico benchè sia presente un segnale di piccola ampiezza, si ha così una distorsione detta di "cross-over" perchè si verifica nel "passaggio" per lo 0.
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Trascurando la distorsione di "cross-over" si ha che la potenza PQ dissipata dai transistors è, dati i grafici:
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PQ = 2 ( 1/ 3.14 Vo pVcc/ RL)
La potenza media PL rms del carico, considerando una tensione di picco Vo p è data da:
Vo rms = Vo p / 2½ da cui PL rms = Vo p2 / 2 x 1/RL = ½ Vo p2 / RL
Considerando la condizione in cui Vo p= Vcc = I RL si ha un rendimento µ:
µ = PL rms / PQ = (½ Vo p2 / RL) / 2 ( 1/ 3.14 Vo pVcc/ RL) = ¼ 3.14 Vo p / Vcc
Cioè la potenza massima trasferita al carico è circa il 85% di quella totale. A tale scopo, i finali in classe B sono impiegati maggiormente nella costruzione di amplificatori, ma sono stati sosituiti dai finali in classe AB nei quali si riduce drasticamente la distorsione di cross-over.
CLASSE AB
Sono un miglioramento della classe B dove si riduce la distorsione di cross-over mantenendo polarizzati i transistors anche quando il segnale in ingresso passa per lo 0.
E' il metodo maggiormente impiegato nella costruzione degli amplificatori Hi-Fi
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CLASSE C
E' un tipo di stadio finale simile al classe B ma al carico giunge il segnale per un periodo inferiore ad una semionda. Si impiegava in vecchie applicazioni radiofoniche ed oggi è impiegato per l'alimentazione nei trasformatori a tecnologia Switch e permette rendimenti migliori dei classici alimentatori ed una migliore regolazione di potenza sul carico.
Testi di Donato Sciunnache, immagini tratte dal testo "Circuiti per la microelettronica" Sedra Smith