Amplificatore

Amplificatori

Gli amplificatori
Enzo Gandolfi
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
1
Amplificatori

Amplificatore
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
Alimentatore
P0
Amplificatore
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
P1 = kP0
2
Amplificatori

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
3
Amplificatori

Amplificatore di tensione
Bassa Ro
Amplificatore di tensione
Rs
Ro
Vs
Vi
Ri
AvVi
Alta Ri
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
4
Amplificatori

Amplificatore di corrente
Amplificatore di corrente
Alta Ro
Ii
Is
Rs
Ri
AiIi
Ro
Bassa Ri
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
5
Amplificatori

Amplificatore di transresistenza
Bassa Ro
Amplificatore di transresistenza
Ii
Ro
Is
Rs
Ri
rmIi
Bassa Ri
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
6
Amplificatori

Amplificatore a
transconduttanza
Amplificatore di transconduttanza
Alta Ro
Rs
Vi
Vs
Ri gmVi
Ro
Alta Ri
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
7
Amplificatori

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:
A0
• Per la parte ad alta frequenza:
Af 
• Per la parte a bassa frequenza:
f
1 j
fh
A0
Af 
fl
1 j
f
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
8
Amplificatori

Per le Basse frequenze:
Af 
Ao
fl
1 j
f
A
Ao
Ao 
Afl 
Ao
2
frequenza
fl
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
9
Amplificatori
Per le Alte frequenze:

Af 
Ao
1 j
f
fh
A
Ao
Afh 
Ao
2
fh
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
frequenza
10
Amplificatori

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/ 2
A
A0
A0
2
fl Banda Passante fh
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
frequenza
11
Amplificatori

La Controreazione
X
e
A
Y
•
•
•
•
•
Y = Ae
e = X-Y
Y = A(X - Y)
Y = AX - A Y
Y (1+AY) = AX
Y
La controreazione
(reazione negativa)
consiste nel portare (sottrarre)
all’ingresso parte del segnale di
uscita
A
Y
X
1  A
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
12
Amplificatori

La Controreazione
• Dalla precedente formula risulta che, il guadagno
di un amplificatore controreazionato (Ar) è:
A
Ar 
1  A
• Per valori di A molto grandi, si ottiene:
lim Ar 
A 
1
1

A

1

Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
13
Amplificatori

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
14
Amplificatori

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
15
Amplificatori

Stabilizzazione del guadagno
A
Da Ar 
otteniamo:
1  A
Ar 1  A  A
1


2
2
A
1  A
1  A
Ar A
Ar
1
A
1
A


Ar 


Ar 1  A A
1  A 1  A A
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
16
Amplificatori

Osservazione
• Se un amplificatore viene controreazionato
le variazioni del suo guadagno vengono
attenuate di un fattore pari a (1+A).
• Ciò ci consente di avere amplificatori meno
sensibili a fattori esterni.
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
17
Amplificatori

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
Af 
A0
f
1 j
fh
A0
Af 
fl
1 j
f
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
18
Amplificatori

Controreazione e banda passante
• Nel caso di amplificatori con controreazione si ha:
A fr 
Af
Quindi per le alte frequenze:
1  A f
A0
A fr 
1 j
1 
f
fh
A0
1 j
f
fh
f
1 j
A0
fh


f
f
1 j
1  j  A0
fh
fh
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
19
Amplificatori

Controreazione e banda passante
A0
A0
1  A0
A fr 


f
f
1


A
0
1  j  A0
1  j A0
fh
fh
A0


1  A0 1 
Aor

f
f
1
f hr
f h 1  A0 
1
Guadagno
controreazionato
a centro banda
Dove fhr =fh(1+A0)
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
20
Amplificatori

Controreazione e banda passante
• L’amplificazione, Afr, di un amplificatore controreazionato,
per le alte frequenze può essere espresso come:
A fr 
Af
f
1
f hr
dove f hr  f h( 1  A0 )
Ragionando allo stesso modo, anche per le amplificazione
dei segnali a bassa frequenza si otterrà:
Af
fl
A fr 
dove f lr 
f lr
( 1  A0 )
1
f
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
21
Amplificatori

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
22
Amplificatori

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.
Amplificatore non
controreazionato
Amplificatore
controreazionato
A
Ao
Aor
frequenza
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
23
Amplificatori

Alimentatore
Amplificatore
Ei
Eo
Amplificatore di tensione
ALTA
IMPEDENZA D’ Vs
INGRESSO
Rs
Vi
Ri
AvVi
Ro
Vo
RL
BASSA
IMPEDENZA D’
USCITA
Amplificatore di corrente
BASSA
IMPEDENZA D’ Is
INGRESSO
Ii
Rs
Ri
AiIi
Ro
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
Vo
RL
ALTA
IMPEDENZA D’
USCITA
24
Amplificatori

Amplificatore a transresistenza
BASSA
IMPEDENZA D’Is
INGRESSO
Ii
Rs
Ri
r mI i
Ro
Vo
RL
BASSA
IMPEDENZA D’
USCITA
RL
ALTA
IMPEDENZA D’
USCITA
Amplificatore a transconduttanza
ALTA
IMPEDENZA Vs
D’INGRESSO
Rs
Vi
Ri
gmVi
Ro
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
Vo
25
Amplificatori

Amplificatore di tensione
Rs
Vs
Ro
Vi
Ri
AvVi
RL
Vo
Vf
Vf =  Vo

Feedback di TENSIONE composto in SERIE
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
26
Amplificatori
Rs
Vs Vi

Ro
Ri
AvVi
RL
Vo
Vf
Vf =  V0

Feedback di TENSIONE composto in SERIE
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.
Analisi quantitativa: per semplicità si considera un generatore ideale Vs
con resistenza interna Rs = 0.
Vs Vi  V f Vi   Av Vi Vi (1   Av ) Vi
Rif  


 (1   Av )
Ii
Ii
Ii
Ii
Ii
Rif = Ri (1 +  Av )
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
27
Amplificatori
Rs
Vi
Vs
Ro
Ri
AvVi
Vo
Vf
Vf=  V0

RL
Feedback di TENSIONE composto in SERIE

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.
Analisi quantitativa: si deve cortocircuitare Vs e procedere all’analisi del
circuito tenendo presente che il ramo di feedback non assorbe corrente
Vo
Vo
Vo
Vo
Rof 


Ro 
Ro
V

A
V
Io
Vo   Av Vo
Vo (1   Av )
o
v i
Ro
Rof = Ro / (1+ Av )
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
28
Amplificatori

Amplificatore di corrente
Ii
Is
Rs
Io
If
Ri
If =  Io
A i Ii
Ro
RL
Io

Feedback di CORRENTE composto in PARALLELO
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
29
Amplificatori

Analisi qualitativa
Io
Ii
Is
Rs If
Ri
If =  Io
A i Ii
Ro
RL

Io
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.
Feedback di CORRENTE composto in PARALLELO
Rif 
Vi
Vi
Vi
Vi
Vi
V
1




 i
I s I f  I i  I o  I i  Ai I i  I i I i (1   Ai ) I i (1   Ai )
Rif = Ri / (1+Ai)
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
30
Amplificatori

Io
Ii
Is
AiIi
Ri
Rs If
If =  Io
Ro
RL
Vo

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:
Vo Ro ( I o  Ai I i ) Ro ( I o  Ai I f ) Ro ( I o  Ai  I o ) Ro I o (1  Ai  )
Rof 
Io

Io

Io

Io

Io
Rof = Ro (1+ Ai)
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
31
Amplificatori

Amplificatore a transresistenza
Ro
Ii
Is
Rs
If
Ri
If =  Vo
rm Ii
RL
Vo

Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
32
Amplificatori

Ii
Is
Rs
Analisi qualitativa
Ro
If
rmIi
Ri
If=Vo
Vo

Rl
La resistenza di ingresso vista da
Is diminuisce con la
controreazione in quanto è vista
in parallelo al ramo di feedback.
Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO
Rif 
Vi
Vi
Vi
Vi
Vi
V
1




 i
I s I f  I i  Vo  I i  rm I i  I i I i 1   rm  I i 1   rm 
Rif = Ri / (1+rm)
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
33
Amplificatori

Ii
Is
Rs
Ro
If
rmIi
Ri
If=Vo
Analisi qualitativa:
Vo

Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO
Rl
La resistenza di uscita
diminuisce in quanto un
generatore esterno vede Ro in
parallelo al ramo di Feedback
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
34
Amplificatori

Amplificatore a transconduttanza
Rs
Vs
Io
Vi
Ri
gmVi
Ro
RL
Io
Vf
V f =  Io

Feedback di CORRENTE composto in SERIE
Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo
35
Amplificatori

Analisi qualitativa
La resistenza di ingresso vista da Vs aumenta con la controreazione, in
quanto è vista in serie al ramo di feedback.
Vs Vi  V f Vi   g mVi Vi (1   g m ) Vi
Rif  


 1   g m 
Ii
Ii
Ii
Ii
Ii
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
36