P3 – CIRCUITI RISONANTI E AMPLIFICATORI SELETTIVI. P3.1 – Un circuito LC serie è alimentato alla frequenza di risonanza da un generatore a tensione costante, avente f.e.m. di valore efficace E = 0,1 V. La bobina, di induttanza L=4,5 mH, ha un fattore di merito, valutato alla frequenza di risonanza, Q = 10. Il condensatore, di capacità C = 200 nF, ha perdite trascurabili. Calcolare la tensione ai capi del condensatore e la potenza assorbita dal circuito. Stabilire poi di quanto si deve dissintonizzare il generatore (cioè di quanto deve variare la sua frequenza rispetto al valore di risonanza), affinché la potenza da esso erogata si dimezzi. L=4,5mH Q=10 C = 200nF E = 0,1 V Soluzione Alla frequenza di risonanza ω0 = 1/ LC la tensione i capi del condensatore è Q volte la tensione applicata al circuito, con Q fattore di sovratensione coincidente con il fattore di merito della bobina: VC 0 = QE = 10 × 0,1 = 1 V Il circuito in risonanza presenta una impedenza puramente ohmica, pari alla resistenza serie della bobina: ω0 L 1 L 1 4,5 ⋅ 10−3 L = = = = 15 Ω Rs = −9 Q Q LC Q C 10 200 ⋅ 10 La potenza assorbita dal circuito vale pertanto: P = E 2 / Rs = 0,12 / 15 = 666,67 µW Uscendo di risonanza, l’impedenza del circuito aumenta e quindi l’intensità di corrente nel circuito diminuisce, rispetto al valore massimo I 0 = E / R di risonanza. Di conseguenza la potenza assorbita dal circuito diminuisce, dimezzandosi quando la corrente si riduce a I 0 / 2 , ciò che accade in corrispondenza delle frequenze limiti, f1 e f2, della banda passante. La larghezza di banda è legata al fattore di merito del circuito dalla relazione (6.7): B = f0 / Q con: f0 = 1 2π LC = 1 2π 4,5 ⋅ 10 − 3 × 200 ⋅ 10 − 9 = 5,3 kHz Per Q=10 si ottiene: B = f 0 / Q = 5,3 ⋅ 103 / 10 = 530 Hz Le frequenze f1 e f2 possono essere considerate simmetriche rispetto ad f0, per cui il loro valore può essere ottenuto semplicemente sommando ± B/2 ad f0: f1 = f 0 − B 0,530 = 5,3 − = 5,035 kHz 2 2 f2 = f0 + B 0,530 = 5,3 + = 5,565 kHz 2 2 In conclusione, se la frequenza del generatore di tensione si sposta da f0 (frequenza di risonanza propria del circuito LC alimentato) a f1 o a f2 (frequenze limiti della banda passante del circuito), l’intensità della corrente passa da I0 a I 0 / 2 , riducendosi di 3 dB: 20 log 1 I = 20 log = −20 log 2 = −10 log 2 ≅ −3 dB I0 2 Corrispondentemente la potenza erogata, proporzionale al quadrato dell’intensità di corrente, passa da P0 a P0/2, riducendosi anch’essa di 3 dB: 10 log P 1 = 10 log = −10 log 2 ≅ −3 dB P0 2 _________________________________________________________________ P3.2 – Un circuito LC parallelo è alimentato alla risonanza da un generatore a corrente costante avente corrente di cortocircuito di valore efficace I=2 mA. La bobina ha induttanza L=1 µH e resistenza serie, valutata alla frequenza di risonanza, Rs= 0,86 Ω. Il condensatore ha capacità C=80 pF e perdite trascurabili. Calcolare: a) la pulsazione di risonanza e la corrispondente lunghezza d’onda; b) l’impedenza del circuito alla risonanza e quella in corrente continua; c) la corrente di risonanza in L e in C. L=1uH I = 2 mA fo C = 80pF R=0,86Ω Soluzione a) La pulsazione di risonanza vale: ω0 = 1 1 = = 111,8 Mrad / s −6 LC 1 ⋅ 10 × 80 ⋅ 10 −12 a cui corrisponde la frequenza di risonanza in MHz: f0 = ω0 111,8 = = 17,8 MHz 2π 2π A questa frequenza può essere associata una lunghezza d’onda riferita ad un’onda elettromagnetica che si propaga liberamente nel vuoto alla velocità della luce c ≅ 3 ⋅ 108 m / s. Si ha dunque: c 3 ⋅ 108 λ = cT0 = = = 16,9 m f 0 17,8 ⋅ 106 b) Alla risonanza il circuito presenta un’impedenza puramente ohmica data dalla resistenza parallelo Rp della bobina. Possiamo esprimere Rp in funzione della resistenza serie Rs assegnata, uguagliando le relative espressioni del fattore di merito: Q= Si ottiene: Rp = ω0 2 L2 Rs ω0 L Rs = Rp ω0 L L2 L 1 ⋅ 10 −6 = = = = 14,5 kΩ LCRs CRs 80 ⋅ 10 −12 × 0,86 In corrente continua l’impedenza del circuito è praticamente nulla, perché si riduce alla resistenza ohmica del filo costituente la bobina: Rcc ≅ 0 c) In condizioni di risonanza, la corrente di circolazione in L e C è Q volte quella fornita dal generatore, con Q fattore di sovracorrente coincidente con il fattore di merito della bobina. Avendosi: ω0 L si ottiene: 1,118 ⋅ 108 × 1 ⋅ 10−6 Q= = = 130 Rs 0,86 I L 0 = I C 0 = QI = 130 × 2 = 260 mA ________________________________________________________________ P3.3 – Si vuole dimensionare un circuito LC parallelo, dati i valori della frequenza di risonanza f 0 e del fattore di merito Q della bobina (supponendo il condensatore di accordo privo di perdite), in modo che, applicando al circuito un carico ohmico RL , il fattore di merito del circuito scenda ad un valore prefissato Qeff. Si considerino i seguenti due casi, riferiti rispettivamente a circuiti di un radioricevitore supereterodina (frequenza intermedia 470 kHz) e di un radiotrasmettitore dilettantistico (radiofrequenza 28 MHz, ovvero lunghezza d’onda 10,7 m): a) f0=470 kHz; Q=160; RL=100 kΩ; Qeff=40 b) f0=28 MHz; Q=200: RL=6 kΩ; Qeff=10 L C Rs Soluzione a) Si parte dalla relazione (6.14), scrivendo: RL Qeff = Q 1+ Q da cui si ricava: ω0 L = ω0 L RL Q 100 RL 40 (1 − eff ) = (1 − ) = 1,875 kΩ 40 Qeff Q 160 Essendo: ω0 = 2πf 0 = 2π ⋅ 470 = 2,953 Mrad / s si ottiene: L= C= ω0 L 1,875 ⋅ 103 = = 635 µH ω0 2,953 ⋅ 106 1 ω0 L 2 = 1 1 = ≅ 180 pF 6 ω0 ⋅ ω0 L 2,953 ⋅ 10 ⋅ 1,875 ⋅ 103 b) In questo caso, essendo Qeff<<Q (circuito risonante fortemente caricato), partendo sempre dalla (6.14) si può scrivere: ω0 L = Q RL R 6 = 0,6 kΩ (1 − eff ) ≅ L = Qeff Q Qeff 10 e pertanto, essendo: ω0 = 2πf 0 = 2π ⋅ 28 = 176 Mrad / s si ottiene: L= ω0 L 0,6 ⋅ 103 = 3,41 µH = ω0 176 ⋅ 106 C= 1 1 = = 9,47 pF 6 ω0 ⋅ ω0 L 176 ⋅ 10 × 0,6 ⋅ 103 _________________________________________________________________ P3.4 – Un circuito LC parallelo è alimentato da un generatore a corrente costante I=2 mA con frequenza angolare ω0=4 Mrad/s. La bobina ha induttanza L1=0,1 mH e fattore di merito Q=200;il condensatore ha capacità C1 da determinare, con fattore di perdita trascurabile. Al circuito è accoppiata induttivamente una seconda bobina di induttanza L2=20 µH chiusa su un carico ohmico RL=200 Ω, con rendimento di trasferimento ηt=77,7 %. Calcolare il coefficiente di accoppiamento fra le due bobine, sapendo che la potenza trasferita al secondario vale P2=55 mW. M I = 2mA ωο = 4Mrad/s L1=0,1mH Q=200 C1 L2=20uH RL 200Ω Soluzione Dall’espressione (6.24) del rendimento di trasferimento: ηt = Qeff P2 = 1− P1 Q si ricava il valore del fattore di merito effettivo del circuito caricato dalla RL attraverso l’accoppiamento induttivo: Qeff = Q (1 − η t ) = 200 (1 − 77.7 ) = 44,6 100 L’intensità della corrente di circolazione in L1 e C1 vale pertanto: I L 0 = Qeff I = 44,6 × 2 = 89,2 mA E’ questa la corrente che circola nella resistenza R21 che si considera trasferita dal secondario in serie alla bobina L1. Per la potenza P2 trasferita al secondario vale quindi l’espressione: P2 = R21 I L 0 2 dalla quale si ricava: R21 = P2 I L0 2 = 55 ⋅ 10 −3 = 6,9 Ω (89,2 ⋅ 10 −3 ) 2 A sua volta, per la R21 vale l’espressione: R21 = ωo2M 2 Z2 2 R2 in cui R2 coincide praticamente con la RL=200 Ω del carico (trascurando in confronto a questo la resistenza serie della bobina secondaria): Si ha inoltre: R2 = RL = 200 Ω Z 2 = R2 + (ω 0 L2 ) 2 = 200 2 + (4 ⋅ 10 6 × 20 ⋅ 10 −6 ) 2 = 4,64 ⋅ 10 4 Ω 2 2 2 Possiamo allora ricavare dall’espressione della R21 il valore della mutua induttanza fra i due circuiti accoppiati: R21 Z 2 M = 2 = ω 0 2 R2 6,9 × 4,64 ⋅ 10 4 = 10 µH (4 ⋅ 10 6 ) 2 × 200 Il coefficiente di accoppiamento fra le due bobine risulta pertanto: M K= L1 L2 = 10 ⋅ 10 −6 −3 0,1 ⋅ 10 × 20 ⋅ 10 −6 = 0,22 Per quanto riguarda il valore della capacità di accordo C1, va tenuto presente che il circuito secondario trasferisce al primario, oltre al carico, anche una reattanza capacitiva, ovvero una induttanza da sottrarre a L1, data da: L21 = ω02M 2 Z2 2 (4 ⋅ 10 6 × 10 ⋅ 10 −6 ) 2 L2 = 20 ⋅ 10 −6 = 0,69 µH 4 4.64 ⋅ 10 Essendo L21<<L1, l’effetto dissintonizzante del secondario può essere trascurato, per cui la capacità di accordo C1 è data semplicemente da: C1 = 1 ω 0 L1 2 = 1 = 625 pF (4 ⋅ 10 ) × 0,1 ⋅ 10 −3 6 2 ___________________________________________________________________ P3.5 - Due circuiti risonanti uguali, aventi ciascuno induttanza L=0,1 mH, fattore di merito Q=80 e capacità C=625 pF, sono tra loro accoppiati induttivamente. Il primario è alimentato in serie da un generatore ideale di tensione a frequenza di risonanza, avente f.e.m.di valore efficace V=2 mV. Calcolare la tensione ai capi del condensatore del circuito secondario e la banda passante, per i seguenti valori del coefficiente di accoppiamento: a) K=Kc/2; b) K=Kc; c) K=3Kc M R R + L V L C ωο Vc20 C Soluzione La pulsazione di risonanza vale: ω0 = 1 1 = = 4 Mrad / s LC 0,1 ⋅ 10− 3 × 625 ⋅ 10−12 ed il coefficiente di accoppiamento critico: Kc = 1 1 1 = = = 1,25 ⋅ 10− 2 Q1Q2 Q 80 Per consentire dei confronti, consideriamo dapprima il circuito risonante primario isolato, e calcoliamo la tensione ai capi del condensatore di accordo e la larghezza di banda del circuito: VC10 = QV = 80 × 2 = 160 mV B1 = ω0 / Q = 4 ⋅ 106 / 80 = 50 krad / s Quando si accoppia induttivamente un secondo circuito risonante isocrono, la risposta ai capi del condensatore secondario è diversa a seconda del grado di accoppiamento: a) Per K=Kc/2, la (6.28) e la (6.31) forniscono rispettivamente: VC 20 = V K 2 Kc + K 2 = V 2 = = 53,3 mV 3K c 3 × 1,25 ⋅ 10 − 2 B = K c ω 0 1 + ( K / K c ) 2 = K c ω 0 1 + 0,5 2 = 1,25 ⋅ 10 − 2 × 4 ⋅ 10 6 × 1,12 = 56 krad / s Rispetto al primario isolato, si ha una tensione di uscita molto minore: e una banda passante più larga: V / 3K c = QV / 3 = VC10 / 3 K cω0 1 + 0,52 ≅ 1,12 ω0 / Q = 1,12 B1 b) Per K=Kc ,la (6.30) e la (6.32) forniscono rispettivamente: 1 L V 2 V 1 = = = 80 mV 2Kc L2 2 K c 2 × 1,25 ⋅ 10 − 2 * VC 20 = B= 2 ω0 Q = 2 4 ⋅ 106 = 70,7 krad / s 80 La VC20* è la massima tensione di uscita ottenibile dal filtro di banda,al variare del grado di accoppiamento, e corrisponde alla metà di quella che si otterrebbe dal primario isolato. Questa riduzione di ampiezza è il prezzo che si paga par avere una curva di risposta con fianchi più ripidi e sommità più appiattita, e quindi più vicina a quella di un filtro passa banda ideale. La banda passante è 2 volte più larga, rispetto a quella del solo primario: 2 ω0 Q = 2 B1 c) Per K=3Kc ,la (6.28) fornisce: VC 20 = V L2 3 V 3 2 = = = 48 V L1 10 K c 10 1,25 ⋅ 10 − 2 K 2 Kc + K 2 La risposta alla risonanza è minore del valore VC20* = 80 mV relativo all’accoppiamento critico; tuttavia tale valore viene raggiunto in corrispondenza di due frequenza, ωa, ωb, pressoché simmetriche rispetto alla ω0. Avendosi, per la (6.33): ωb − ωa = Kω0 = 3K cω0 = 3 × 1,25 ⋅ 10 −2 × 4 ⋅ 106 = 150 krad / s le due frequenze, espresse in Mrad/s, valgono approssimativamente: ω a = ω0 − ωb = ω0 + ωb − ωa 2 ωb − ωa 2 = 4 − 0,75 = 3,25 Mrad / s = 4 + 0,75 = 4,75 Mrad / s La larghezza di banda, data dalla (6.34): B = 2 Kω0 = 2 ⋅ 3K c ⋅ ω0 = 3 2 × 1,25 ⋅ 10−2 × 4 ⋅ 106 = 212 krad / s risulta relativamente elevata, 3 2 ≅ 4,24 volte più ampia di quella del circuito primario isolato. ___________________________________________________________________ P3.6 – In figura è schematizzato un amplificatore di tensione selettivo con accoppiamento a condensatore, avente una banda passante B=20 kHz centrata sulla frequenza di risonanza f0=900 kHz. Determinare i valori dei parametri differenziali gm e rd , e della capacità di uscita Cds del JFET impiegato, per ottenere un guadagno a centro banda A0=120 quando l’amplificatore è chiuso su un carico ohmico Rc= 900 kΩ con capacità d’ingresso C=7 pF. Vcc R2 15KΩ L=150uH Q=80 C 200pF Cau 100nF Cai 100nF Ci 7pF R1 15KΩ Rk 1,5K RL 900KΩ Ck 100nF GND Soluzione Il circuito risonante dell’amplificatore presenta un fattore di merito effettivo Qeff minore del fattore di merito proprio Q perché caricato dalla Rc in parallelo dinamicamente con la resistenza differenziale di drain rd del JFET. Dalla relazione (7.7), che lega il Qeff alla larghezza di banda dell’amplificatore selettivo, si ricava: Qeff = f 0 900 = = 45 B 20 Dall’espressione (7.6) di Qeff si può allora ricavare la resistenza Rdc, parallelo fra resistenza di carico e resistenza differenziale di drain, desumendo dallo schema i valori relativi alla bobina della circuito risonante, L=150 µH, Q=80: Rdc = ω0 L QQeff Q − Qeff = 2π ⋅ 900 ⋅ 103 × 150 ⋅ 10− 6 80 × 45 = 87,25 kΩ 80 − 45 e quindi: Rc Rdc 900 × 87,25 = = 96,63 kΩ Rc − Rdc 900 − 87,25 rd = Inoltre, dall’espressione (7.5) del guadagno a centro banda dell’amplificatore possiamo ricavare il valore della transconduttanza differenziale del JFET: gm = 120 A0 = = 3,14 mA / V 3 ω0 LQeff 2π ⋅ 900 ⋅ 10 × 150 ⋅ 10− 6 × 45 A titolo di verifica dei calcoli eseguiti, possiamo utilizzare la seguente espressione del guadagno di tensione dell’amplificatore: A0 = g m R pdc con Rpdc risultante dal parallelo fra la Rdc e la resistenza parallelo propria della bobina: R p = ω0 LQ = 2π ⋅ 900 ⋅ 103 × 150 ⋅ 10−6 × 80 = 67,88 kΩ Si ottiene: R pdc = R p Rdc R p + Rdc = 67,88 × 87,25 = 38,18 kΩ 67,88 + 87,25 e quindi: A0 = g m R pdc = 3,14 ⋅ 10−3 × 38,18 ⋅ 103 = 119,88 ≅ 120 Resta da determinare il valore della capacità fra drain e source del JFET, in base all’espressione della frequenza di centro banda (7.3), che fornisce: Ct = 1 ω0 L 2 = 1 = 208,48 pF 4π (900 ⋅ 10 ) × 150 ⋅ 10 − 6 2 3 2 essendo Ct la capacità complessiva data dal parallelo fra la capacità del condensatore di accordo, C=200 pF, e le capacità di uscita del JFET e d’ingresso del carico: Si ha dunque: C t = C + C ds + C i C ds = C t − C − C i = 208,48 − 200 − 7 = 1,48 pF __________________________________________________________________ P3.7 – Uno stadio amplificatore di tensione selettivo a radiofrequenza, con accoppiamento induttivo a semplice accordo, impiega un JFET avente gm= 4 mA/V, rd=80 kΩ. Le bobine del trasformatore RF hanno entrambe induttanza L=200 µH con fattore di merito Q=120; il coefficiente di accoppiamento è K=0,2. Il secondario è accordato sulla frequenza ω0=6 Mrad/s del segnale d’ingresso avente un valore efficace Vgs=2 mV. L’uscita è collegata ad un secondo stadio a JFET con resistenza d’ingresso molto elevata, per cui si dovrà tener conto soltanto della capacità d’ingresso Ci = 5 pF di tale stadio, avente effetto solo sulla sintonizzazione dell’amplificatore. Partendo dallo schema relativo al circuito equivalente differenziale dell’amplificatore, determinare la capacità del condensatore di accordo e calcolare il valore efficace del segnale di uscita. Determinare poi il valore che dovrebbe avere il coefficiente di accoppiamento per ottenere la massima ampiezza del segnale di uscita. Soluzione Posto µ = rd gm , il circuito equivalente dinamico dello stadio amplificatore in esame comprende un generatore dipendente di tensione µVgs con resistenza interna rd applicato al primario del trasformatore RF. Considerando trascurabile la capacità interelettrodica Cds (drain-source) del JFET, e conglobando la capacità d’ingresso Ci dell’utilizzatore nella capacità C di sintonizzazione, si ottiene lo schema seguente. M Rs Rs rd µVgs + - L L C Vu Alla frequenza di risonanza ω0=6 Mrad/s, l’impedenza del secondario si riduce alla sola Rs, che riportata al primario diventa: R21 = con: ω0 2 M 2 Rs M = KL = 0,2 × 200 = 40 µH Rs = ω0 L Q = 6 ⋅ 106 × 200 ⋅ 10 − 6 = 10 Ω 120 = (6 ⋅ 10 6 × 40 ⋅ 10 −6 ) 2 = 5,76 kΩ 10 e quindi: R21 = ω0 2 M 2 Rs Lo schema del circuito equivalente si semplifica come appresso. Rs Rs rd µVgs L + - Vu Il circuito è percorso da una corrente espressa vettorialmente da: I1 = Avendosi: µVgs (rd + Rs + R21 ) + jω0 L ω0 L = 6 ⋅ 10 6 × 200 ⋅ 10 −6 = 1200 Ω << rd possiamo trascurare la parte immaginaria a denominatore, per cui si ottiene una corrente in fase con la tensione applicata e avente valore efficace (trascurando anche Rs rispetto a rd+R21): I1 = µVgs rd + R21 = g m rdVgs 4 ⋅ 10−3 × 80 ⋅ 103 × 2 ⋅ 10−3 = = 7,46 ⋅ 10− 6 A 3 3 rd + R21 80 ⋅ 10 + 5,76 ⋅ 10 Questa corrente induce nel secondario una f.e.m. espressa vettorialmente da: E 2 = − jω0 MI1 A sua volta la E2 produce una corrente nel secondario che, essendo questo in risonanza, risulta in fase con la f.e.m. e di valore efficace: I2 = ω0 MI1 Rs = 6 ⋅ 106 × 40 ⋅ 10−6 × 7,46 ⋅ 10−6 = 1,79 ⋅ 10− 4 A 10 Pertanto la tensione di uscita, ai capi del condensatore di accordo avente reattanza 1 / ω0C = ω0 L, risulta: Vu = ω0 LI 2 = 6 ⋅ 106 × 200 ⋅ 10 −6 × 1,79 ⋅ 10 −4 = 0,217 V Allo stesso risultato (a meno delle approssimazioni di calcolo) si perviene attraverso la valutazione del guadagno di tensione dell’amplificatore, dopo aver calcolato il fattore di merito effettivo del circuito secondario. A tal fine, riportiamo l’impedenza del primario al secondario, trascurando al solito ω0 L << rd ed assumendo Rs + rd ≅ rd . Con tale approssimazione il primario trasferisce al secondario soltanto una resistenza: R12 = ω0 2 M 2 per cui si ha: Q2eff = rd = (6 ⋅ 106 × 40 ⋅ 10 −6 ) 2 = 0,72 Ω 80 ⋅ 103 ω0 L Rs + R12 = 6 ⋅ 106 × 200 ⋅ 10−6 = 112 10 + 0,72 Possiamo allora determinare il guadagno di tensione dell’amplificatore in base alla (7.8): A0 = g mω0 MQeff = 4 ⋅ 10−3 × 6 ⋅ 106 × 40 ⋅ 10−6 × 112 = 107,52 e calcolare infine il valore efficace del segnale di uscita: Vu = A0Vgs = 107,52 × 2 ⋅ 10−3 = 0,215 V Il risultato è in linea con quello precedentemente ottenuto ( Vu = 0.217 V ). Al variare del coefficiente di accoppiamento fra le bobine del trasformatore RF, il segnale di uscita raggiunge la massima ampiezza in condizione di adattamento di impedenza, cioè quando (con la solita approssimazione di trascurare ω0L rispetto a rd): R21 + Rs = rd ovvero, indicando con Mc la mutua induttanza che verifica l’adattamento e trascurando Rs rispetto R21): ω0 2 M c 2 da cui: Rs = rd rd Rs Mc = ω0 ovvero: 80 ⋅ 103 × 10 = 149 µH = 6 ⋅ 106 K c = M c / L = 149 / 200 = 0,745 In questa condizione Q2eff è pari alla metà di Q2 ed il guadagno di tensione risulta espresso dalla (10.7): Ao (max) = Si ha pertanto: 1 1 g mω0 M cQ2 = 4 ⋅ 10 − 3 × 6 ⋅ 106 × 149 ⋅ 10 − 6 × 120 = 214,56 2 2 Vu(max) = A0(max)Vgs = 214,56 × 2 ⋅ 10−3 = 0,429 V Un aumento del grado di accoppiamento oltre Kc non produce un aumento del guadagno dell’amplificatore, ma una sua diminuzione, perché si accompagna ad una prevalente riduzione del valore di Q2eff. Ad esempio, se si assume K=0,9>Kc ,ovvero: M = KL = 0,9 × 200 = 180 µH si ottiene: R12 = ω0 2 M 2 Q2 eff = e quindi: rd = ω0 L Rs + R12 (6 ⋅ 10 6 × 180 ÷ 10 −6 ) 2 = 14,6 80 ⋅ 10 3 = 6 ⋅ 10 6 × 200 ⋅ 10 −6 = 48,8 10 + 14,6 A0 = g mω0 MQ2eff = 4 ⋅ 10−3 × 6 ⋅ 106 × 180 ⋅ 10−6 × 48,8 = 210,82 < A0(max) ___________________________________________________________ P3.8 – Un amplificatore di tensione selettivo a filtro di banda, sintonizzato sulla radiofrequenza ω0= 5 Mrad/s, è realizzato con un JFET avente gm=4 mA/V, rd = 40 kΩ. Le bobine, primaria e secondaria, sono accoppiate con K=Kc , ed hanno rispettivamente: L1=150 µH, Q1=100; L2=240 µH, Q2=80. Calcolare il guadagno di tensione in decibel alla risonanza ed in corrispondenza delle due frequenze: ω1 = ω0 (1 − K c / 2) , ω2 = ω0 (1 + K c / 2). Soluzione Supponendo trascurabili le perdite nei condensatori di accordo, il circuito primario del trasformatore RF presenta una resistenza parallelo propria data da: R p1 = ω0 L1Q1 = 5 ⋅ 106 × 150 ⋅ 10−6 × 100 = 75 kΩ La resistenza effettiva è data dal parallelo della Rp1 con la resistenza dinamica del JFET, e vale: R pd 1 = R p1rd R p1 + rd = 75 × 40 = 26 kΩ 75 + 40 Pertanto il circuito primario presenta un fattore di merito effettivo dato da: Q1eff = R pd 1 26 ⋅ 103 = = 34,67 ω0 L1 5 ⋅ 106 × 150 ⋅ 10− 6 In base alla (6.26) possiamo allora calcolare il valore del coefficiente di accoppiamento critico: Kc = 1 Q1eff Q2 = 1 = 0,019 34,67 × 80 L’amplificazione alla risonanza per K=Kc risulta pertanto, in base alla (7.13): A0 = ovvero: 1 1 g mω0 L1L2 = 4 ⋅ 10 − 3 × 5 ⋅ 10 6 150 ⋅ 10 − 6 × 240 ⋅ 10 − 6 ≅ 100 2K c 2 × 0,019 A0 (dB) = 20 log 100 = 40 dB La larghezza di banda dell’amplificatore è espressa dalla (7.14) per K=Kc: B = 2Kc f0 Le frequenze angolari ω1 , ω2 assegnate corrispondono quindi, approssimativamente, ai limiti inferiore e superiore della banda passante, e pertanto ad esse corrisponde un guadagno di tensione di 3 dB al disotto di quello a centro banda, cioè: ovvero: A01 (dB) = A02 (dB) = A0 (dB) − 3 = 40 − 3 = 37 dB A01 = A02 = 1037 / 20 ≅ 70,8 ___________________________________________________________________ P3.9 – Uno stadio amplificatore di potenza a radiofrequenza, realizzato con un BJT funzionante in classe C, ha una potenza di uscita sull’utilizzatore Pu=1,38 W, con rendimento di trasferimento ηt=0,96. Il circuito volano comprende un condensatore di accordo di capacità C=310 pF, sul primario di un trasformatore RF costituito da due bobine uguali di induttanza L=0,4 µH. Il secondario è chiuso su un utilizzatore ohmico rappresentato da una resistenza Ru=75 Ω. La tensione di alimentazione è Vcc=40 V. Fissato un coefficiente di tensione (= ampiezza del segnale di tensione in uscita rapportata alla tensione di alimentazione) Kv=0,9 ed un coefficiente di corrente (=ampiezza del segnale di corrente di prima armonica rapportata al valor medio della corrente di collettore) K=1,7 determinare: a) la frequenza di lavoro dell’amplificatore; b) la potenza di alimentazione ed il rendimento di conversione; c) il grado di accoppiamento fra le bobine del trasformatore di uscita. Vcc C 310pF L L L 0,4uH L 0,4uH Ru 75Ω RB CB GND Soluzione a) Trascurando l’effetto dissintonizzante del secondario del trasformatore di uscita, la frequenza di lavoro è quella di risonanza del circuito volano data da: f0 = 1 2π LC = 1 2π 0,4 ⋅ 10 × 310 ⋅ 10−12 −6 = 14,3 Mrad / s ovvero, in termini angolari: ω0 = 1 1 = ≅ 90 Mrad / s −6 LC 0,4 ⋅ 10 × 310 ⋅ 10−12 b) Dal valore di Kv si ricava l’ampiezza del segnale sinusoidale di uscita: VuM = K vVcc = 0,92 × 40 = 36,8 V L’ampiezza della corrente di prima armonica si può ricavare dall’espressione della potenza convertita in radiofrequenza: 1 P = VuM I c1M 2 con: P= Si ottiene: I c1M = Pu ηt = 1,38 = 1,44 W 0,96 2 P 2 × 1,44 = = 78,26 mA VuM 36,8 Con un Ki=1,7 (corrispondete ad un angolo di circolazione della corrente di circa 120°), la corrente media di collettore risulta: I cm = I c1M 78,26 = = 46 mA Ki 1,7 e quindi la potenza di alimentazione vale: Pcm = Vcc I cm = 40 × 46 ⋅ 10 −3 = 1,84 W con un rendimento di conversione: ηc = P 1,44 = = 0,78 Pcm 1,84 c) La resistenza di carico dell’amplificatore: RL = 36,8 VuM = = 470 Ω I c1 78,26 ⋅ 10 − 3 rappresenta la resistenza parallelo della bobina costituente il circuito volano (supponendo nulle le perdite nel condensatore di accordo), la quale presenta quindi un fattore di merito effettivo: Qeff = 470 RL = = 13 6 ω0 L 90 ⋅ 10 × 0,4 ⋅ 10 − 6 mentre il fattore di merito proprio ha un valore, ricavabile dalla (7.20), pari a: Q= Qeff 1 − ηt = 13 = 325 1 − 0,96 D’altra parte, la RL,trasformata in resistenza serie: RLs = RL 470 = 2 = 2,78 Ω 2 13 Qeff equivale in prima approssimazione alla resistenza serie dell’utilizzatore trasferita al primario. Possiamo perciò scrivere: RLs ≅ da cui discende: K= ω0 2 M 2 Ru = ω0 2 K 2 L2 Ru RLs Ru 2,78 × 75 = 0,4 = ω0 L 90 ⋅ 106 × 0,4 ⋅ 10− 6 _________________________________________________________________