Quadripoli e amplificatori
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LEZIONI DI ELETTRONICA per la classe 5° informatica Prof. Eros Rambelli 7° MODULO : Quadripoli e Amplificatori BIPOLI Un bipolo è un circuito che comunica con l’esterno mediante una coppia di terminali. Bipolo attivo : bipolo in grado di fornire una tensione ai suoi terminali e di erogare potenza elettrica Rg BIPOLO ATTIVO Eg Circuito equivalente Nel campo delle telecomunicazioni i trasmettitori si possono considerare bipoli attivi. Bipolo passivo : bipolo che non fornisce tensione ai suoi terminali e che può assorbire potenza elettrica. Circuito equivalente RL Nel campo delle telecomunicazioni i ricevitori si possono considerare bipoli passivi. In regime sinusoidale un bipolo passivo è equivalente a una impedenza Z. Accoppiamento tra un bipolo attivo e un bipolo passivo BIPOLO ATTIVO BIPOLO PASSIVO Per avere il massimo di tensione trasferita, cioè Eg VL Caso ottimale : funzionamento a vuoto RL >> Rg Per avere il massimo di corrente in uscita Funzionamento in corto circuito RL = 0 Per avere il massimo di potenza trasferita Carico adattato RL = Rg e XL = - Xg Generatori dipendenti Si dicono generatori dipendenti quei generatori il cui valore di tensione o di corrente dipende dal valore di una tensione o da una corrente presente in un’altra parte del circuito. 1 QUADRIPOLI Un quadripolo è una rete elettrica comunque complessa nella quale si individuano una coppia di terminali di ingresso e una coppia di terminali di uscita Ii Io QUADRIPOLO Vi Vi : tensione applicata in ingresso Ii : corrente di ingresso Vo Vo : tensione disponibile in uscita Io corrente di uscita Gli amplificatori e i filtri sono dei quadripoli; ma anche le interconnessioni tra trasmettitori e ricevitori possono considerarsi dei quadripoli. Analizzare un quadripolo significa determinare la relazione tra ingresso e uscita, in modo da poter prevedere la risposta del sistema in presenza di una determinata sollecitazione di ingresso. Noi analizzeremo il funzionamento dei quadripoli lineari tempo-invarianti, cioè quadripoli composti da componenti lineari il cui comportamento non varia nel tempo. Per questi quadripoli vale il principio di sovrapposizione degli effetti. Un componente elettrico si dice lineare se i parametri che lo caratterizzano sono indipendenti dalle tensioni e dalle correnti in esso presenti. Quadripoli passivi : quadripoli costituiti da componenti R-L-C che forniscono in uscita una potenza sempre minore di quella di ingresso. Quadripoli attivi : quadripoli costituiti, oltre che da componenti R-L-C, anche da componenti attivi (transistor, Amp.Op.), che possono fornire in uscita una potenza superiore di quella di ingresso. I quadripoli attivi sono sempre alimentati da un generatore esterno in continua, che fornisce loro potenza elettrica. Nel caso in cui la corrente entrante in un terminale di ingresso è uguale a quella uscente dall’altro terminale di ingresso e la corrente entrante in un terminale di uscita è uguale a quella uscente dall’altro terminale di uscita, il quadripolo si può considerare composta da due bipoli e prende anche il nome di doppio bipolo. BIPOLO di ingresso BIPOLO di uscita 2 Circuiti equivalenti La relazione tra la tensione e la corrente di ingresso e la tensione e la corrente di uscita di un quadripolo (doppio bipolo) lineare tempo-invariante possono essere espressi nei seguenti modi : a parametri impedenza z a parametri ammettenza y a parametri ibridi h a parametri ibridi g a parametri di trasmissione A ciascuno di questi modelli corrisponde un diverso circuito equivalente del quadripolo. Per lo studio di questi modelli si rimanda al libro di testo. Nell’analisi dei quadripoli noi adotteremo il seguente circuito equivalente, che ci consentirà di analizzare bene i vari circuiti che incontreremo durante il corso. Rg Eg Ro Vi AVi Ri Vo RL Elementi caratteristici di un quadripolo Ri resistenza di ingresso : resistenza vista dai morsetti di ingresso. In alcuni casi è indipendente dal carico (es. quadripoli attivi realizzati con Amp. Op.); in altri dipende dal carico (quadripoli passivi non adattati). Ro resistenza di uscita : resistenza vista dai morsetti di uscita con Vi = 0 Nei quadripoli passivi generalmente dipende anche da Rg (resistenza interna del generatore di segnale collegato in ingresso). A guadagno di tensione a vuoto : rapporto tra la tensione di uscita a vuoto e la tensione di ingresso In regime variabile rappresenta la Funzione di trasferimento a vuoto. Il valore del guadagno di tensione a carico è influenzato dal carico ed è sempre minore di quello a vuoto. Ap guadagno di potenza : rapporto tra la potenza attiva erogata in uscita a vuoto e la potenza attiva assorbita in ingresso In regime sinusoidale, quando gli effetti induttivi e capacitivi non sono trascurabili : Ri Ro A Zi Zo F(j) impedenza di ingresso impedenza di uscita funzione di trasferimento In questo caso un altro parametro importante del quadripolo è la banda passante B. 3 Effetti della impedenza di ingresso, effetti della impedenza di uscita, effetti della banda limitata Caratteristiche : Guadagno Impedenza di ingresso Impedenza di uscita Banda passante Funzionamento a vuoto e a carico Definizione e circuito equivalente Amplificatori in cascata PROGETTAZIONE AMPLIFICATORE ANALISI STATICA ANALISI NEL DOMINIO DEL TEMPO Tras-caratteristica ANALISI IN FREQUENZA Zona di linearità e di saturazione La DISTORSIONE 4 Alcuni esempi di quadripoli Amplificatore invertente Amplificatore non invertente R2 7 3 + 2 - Vi 4 2 Vo 6 4 3 6 + Vi - R1 Vo Rf 7 Ri Ri Ro 0 A = 1 + Rf / Ri Ri = R1 Ro 0 A = - R2 / R1 In entrambi i casi le relazioni precedenti valgono sia a vuoto che a carico. La banda passante B dei due quadripoli dipende dalla banda passante dell’amplificatore operazionale reale. Quadripolo con resistenze a stella R1 Vi R2 R3 Vo RL In questo caso Ri dipende anche dal carico RL, mentre Ro dipende dalla resistenza interna Rg del generatore collegato in ingresso. Nel caso di funzionamento a vuoto e con Rg 0 si ottiene : Ri = R1 + R3 Ro = R2 + (R1 R3) A = R3 / (R1 + R3) Determinare Ri, Ro, A col carico RL allacciato. Esercizio : quadripoli in cascata Collegare in cascata due quadripoli e determinare, a vuoto e carico, il guadagno e le resistenze di ingresso e di uscita del quadripolo risultante. 5 Amplificatore operazionale Funzionamento ad anello aperto Caratteristiche dell’Ampl.Op. REALE Funzionamento con retroazione negativa Caratteristiche dell’Ampl.Op. IDEALE Funzionamento con retroazione positiva ANALISI E PROGETTO DI CIRCUITI LINEARI AMPLIFICATORE OPERAZIONALE - Amplificatore invertente e non invertente - Sommatore e sottrattore - Circuiti di condizionamento - Filtri attivi - Derivatore e integratore ANALISI E PROGETTO DI GENERATORI DI FORME D’ONDA ANALISI E PROGETTO DI CIRCUITI NON LINEARI - Multivibratori astabili - Mutivibratori monostabili - Oscillatori - Comparatori - Comparatori con isteresi - Comparatori finestra 6
