progettare
· progettare & costruire
di MAURIZIO DI PAOLO EMILIO
Low Noise
PRE-AMPLIFICATORE
Analizziamo un possibile
preamplificatore
a bassissimo rumore
per applicazioni elettroniche
audio o per strumentazione.
U
n pre-amplificatore è un dispositivo elettronico che amplifica
un segnale analogico. In genere
è lo stadio che anticipa il vero amplificatore ad alta potenza. In applicazione
elettroniche è molto importante amplificare segnali analogici senza introdurre ulteriore rumore.
In questo articolo proponiamo un semplice
pre-amplificatore con rumore di fondo
dell’ordine di 0.8 nV/ √ Hz @ 1 kHz. Lo
schema elettrico è visualizzato in figura
1. I componenti principali utilizzati sono
LT1128 dell Linear Tech. e il JFET IF3602
della InterfetCorporation.
Figura 1: Pre-amplificatore a basso rumore.
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L’INTEGRATO LT1128 E IF3602
LT1128 è un amplificatore operazionale ultra noise ad alta velocità. Caratteristiche
principali sono le seguenti:
Rumore di tensione: 0.85 nV/√Hz @ 1 kHz.
Bandwidth: 13 Mhz
Slew Rate: 5V/uS
Tensione di offset: 40 uV
L’IF3602, invece, è un Dual-N JFET impiegato come stadio di ingresso dell’operazionale.
È un transistor ad effetto di campo, da
considerarsi una via di mezzo tra i transistor a giunzione bipolare (BJT) e i MOSFET.
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CONFIGURAZIONE DELL’OPERAZIONALE
L’amplificatore operazionale come circuito integrato è uno dei circuiti lineari
maggiormente usati. Grazie alla produzione in larghissima scala, il suo prezzo è
sceso a livelli talmente bassi da renderne
conveniente l’uso in quasi tutte le possibili aree applicative. L’amplificatore operazionale è un amplificatore in continua:
ciò significa che esiste una continuità
elettrica fra ingresso e uscita; il nome di
“operazionale” è dovuto all’uso per cui era
nato tale amplificatore, e cioè il funzionamento all’interno di elaboratori analogici per l’esecuzione di operazioni matematiche. Nella sua forma più semplice, un
amplificatore operazionale è composto
essenzialmente da uno stadio d’ingresso,
da un secondo stadio amplificatore differenziale e da uno stadio di uscita in
classe AB, del tipo “emitter follower”. In
generale il modello dell’amplificatore presenta due ingressi: uno definito invertente, indicato con il simbolo “-”, l’altro definito non invertente, indicato con il simbolo “+”, ed una uscita.
L’impedenza di ingresso presenta un valore molto elevato, idealmente infinito,
mentre l’impedenza di uscita ha valore
basso, idealmente nullo. Il fatto che la
resistenza d’ingresso sia infinita implica
che l’amplificatore non assorbe corrente
da nessuno dei due terminali d’ingresso. Inoltre, il fatto che la resistenza d’ingresso sia infinita e quella di uscita nulla,
fa sì che un amplificatore operazionale
ideale sia un perfetto amplificatore di tensione. Nella pratica questi valori, così
come la banda passante e la frequenza
massima di lavoro, sono determinati dalle caratteristiche costruttive dei singoli
modelli di circuiti integrati.
La maggior parte degli amplificatori operazionali è progettata per lavorare con
Figura 2: Amplificatore Differenziale.
Figura 3: Circuito differenziale a FET.
Figura 4: Rumore del sistema.
una tensione di alimentazione duale,
cioè con un valore positivo ed uno negativo, simmetrici rispetto ad una massa, che può essere reale oppure virtuale. Le due tensioni non necessariamente debbono avere lo stesso valore: ad
esempio la tensione positiva potrebbe essere di 15 volt, quella negativa di 7 volt,
la versatilità di questi dispositivi è tale,
che vi possono essere applicazioni in
cui la tensione negativa può essere posta a zero, ovvero, il componente è alimentato da una tensione singola rispetto alla massa. Nell’alimentazione duale,
il livello del segnale in uscita, può spaziare tra i due valori di tensione d’alimentazione, a meno di un piccolo margine, che può variare a seconda del tipo
di operazionale adottato.
Quando gli ingressi sono posti allo stesso valore di tensione (cioè cortocircuitati), l’uscita dovrebbe idealmente assumere il potenziale della massa. In realtà il
valore diverge verso un estremo e la differenza di potenziale che deve essere
applicata tra gli ingressi per azzerare l’uscita, è detta tensione di offset. In alcuni
operazionali questa può essere corretta, agendo su una coppia di pin supplementari. Esistono operazionali progettati per lavorare con una tensione singola rispetto alla massa, uno fra questi è
l’LM358. Dal punto di vista costruttivo,
l’amplificatore operazionale può essere
realizzato con transistor a giunzione bipolare (BJT, come nel caso del LT1128)
oppure mosfet, che lavorano a frequenze
maggiori, con una impedenza di ingresso
più elevata e un minore consumo energetico. Il package può essere plastico, ceramico o metallico e può contenere fino a
4 dispositivi identici.
CIRCUITO DIFFERENZIALE
La struttura differenziale è utilizzata,
principalmente, in quelle applicazioni in
cui è necessario amplificare la differenza di due segnali, eliminando le componenti indesiderate comuni ai due ingressi. In questo modo, in uscita vengono eliminate eventuali componenti
continue sovrapposte al segnale di ingresso come, per esempio, i drift termici.
Come schema a blocchi dell’amplificatore
differenziale, viene utilizzato quello mostrato in figura 2. Possiamo definire un
guadagno differenziale (Ad=A2-A1) e un
guadagno
di
modo
commune
(Ac=A1+A2/2).
Un parametro importante è il CMRR(Common Mode Rejection Ratio) cioè il rapporto
di reiezione di modo-comune. Tale parametro consente di misurare le performance dell’amplificatore differenziale. Il
CMRR, definito come il rapporto tra il
guadagno di tensione di modo differenziale e il guadagno di tensione di modo
comune. Tale parametro indica l’attitudine a non amplificare segnali comuni ai
due ingressi. Il circuito differenziale proposto è visualizzato in figura 3. In questo
caso il guadagno di modo commune è
prossimo a RD/2R1+Rs+rs , mentre quello differenziale è circa Rd/Rs+rs .
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SCHEMA ELETTRICO
Figura 5: PCB.
Figura 6: Simulazione dello schema elettrico: valori delle tensioni e correnti.
Figura 7: Funzione di trasferimento.
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Analizziamo il circuito proposto in figura
1 con P-spice creando opportunamente
i modelli di simulazione per LT1128 e
l’IF3602. Consideriamo separatamente
due principali blocchi:
• la rete R1-C1
• la rete della resistenza di feedback
Quest’ultima è stata regolata in modo
da ottenere un guadagno di circa 100. Il
guadagno massimo che il circuito può
fornire è di circa 200. Non è consigliabile utilizzare un potenziometro per regolare
il guadagno a seconda delle necessità
in quanto introduce rumore al sistema
(figura 7). La rete R1-C1 ha la funzione di
regolare la banda del sistema. La flessibilità del sistema può facilitare nella scelta della risposta in frequenza. I rumori di
corrente e tensione interne agli amplificatori dipendono da fenomeni fisici intrinseci e sono per loro natura casuali,
aperiodici e scorrelati.
Tipicamente hanno una distribuzione
d’ampiezza di tipo Gaussiano e le componenti di massima ampiezza hanno la
probabilità minima. La relazione fra il valore picco picco e il valore efficace di
queste componenti è di tipo statistico. Si
può dare come regola qualitativa che il valore efficace moltiplicato per 6 non supera
il valore picco picco nel 99,73% dei casi.
Nella valutazione del rumore negli operazionali si usa riferire tutte le sorgenti
di rumore all’ingresso essendo questa la
connessione nella quale le sorgenti provocano il massimo dell’effetto.
Essendo le sorgenti scorrelate il loro effetto andrà sommato quadraticamente
nella banda di funzionamento dell’amplificatore. Si osserva un fondo del sistema
di circa 0.8 nV/ √ Hz alla frequenza di
circa 1 kHz.
Proponiamo in figura 5 anche il PCB del
circuito che utilizza componenti resistivi
e capacitive di tipo SMD in modo da ottenere un mini pre-amplificatore. Nella
figura non vengono indicate chiaramente i componenti resistive e capaciti ma la
cosa è abbastanza facile osservando lo
schema elettrico che è di facile comprensione in quanto composto da pochissimi componenti. q
CODICE MIP 2772434
