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. 30 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. & costruire 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 . 31 progettare & costruire · progettare & costruire SCHEMA ELETTRICO Figura 5: PCB. Figura 6: Simulazione dello schema elettrico: valori delle tensioni e correnti. Figura 7: Funzione di trasferimento. 32 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