Amplificatori di segnali con transistori

Da Wikiversità, l'apprendimento libero.
Jump to navigation Jump to search
lezione
Amplificatori di segnali con transistori
Tipo di risorsa Tipo: lezione
Materia di appartenenza Materia: I transistori
Avanzamento Avanzamento: lezione completa al 100%.


Il Transistore come amplificatore[modifica]

Il circuito amplificatore a transistore è un dispositivo analogico in grado di elevare il livello di una tensione di segnale applicata al suo ingresso; nell’esempio lo schema di un amplificatore nel quale il guadagno di tensione è fissato in pari a [1]alla frequenza di

Lo schema del circuito è riportato in figura 1 e successivamente commentato per una tensione di alimentazione di ed una corrente nel transistore di .

figura 1


Descrizione del circuito[modifica]

Questo circuito è simile a quello illustrato in figura 5 nella lezione Funzioni sviluppate con transistori di questa materia salvo la presenza del gruppo in serie alla resistenza d’emettitore ; le funzioni svolte dalle resistenze sono:

  • il partitore resistivo polarizza la base di Tr ad un livello di tensione continua che subordina la corrente di collettore di Tr
  • i resistori limitano la corrente di emettitore di Tr
  • il resistore trasforma la corrente di collettore nella tensione d’uscita
  • il resistore stabilisce con il guadagno di tensione del circuito

L’ingresso del circuito è corredato dal condensatore allo scopo di evitare che il generatore dei segnali, da applicare ai punti (1 e 2), possa alterare il livello della tensione continua dovuto al partitore .

L’uscita del circuito è corredata dal condensatore allo scopo di prelevare il segnale amplificato a valor medio zero.

Il condensatore in parallelo ad fa sì che tale resistenza non sia influente al fine della determinazione del guadagno del circuito, ma concorra soltanto a limitare, assieme ad , la corrente di riposo dell’emettitore.

Funzionamento

Il funzionamento del circuito è il seguente: ad ogni incremento della tensione del segnale applicato alla base, piedini 1 e 2, si ha un corrispondente incremento di e di conseguenza di che provoca a sua volta un decremento di tensione tra e massa; viceversa, quando il segnale applicato alla base decrementa, si ha un corrispondente decremento di e di conseguenza di che provoca un incremento di tensione tra e massa, così che il segnale d’ingresso viene reso “invertito” all’uscita.

Questa modalità di funzionamento dell’amplificatore è detta di “classe A”.

Il guadagno di amplificazione del circuito è pari al rapporto

Sulla base dello schema elettrico e delle tensioni in gioco procediamo al dimensionamento dei componenti:


Dimensionamento dei componenti

Il transistore Tr può essere del tipo BFR17.


Il partitore , che determina il punto di lavoro di Tr in zona lineare, deve essere dimensionato come segue:

Per avere la massima dinamica del segnale in uscita, senza distorsioni, è necessario che la tensione continua su sia circa [2] della tensione di alimentazione

pertanto sulla base di Tr si dovrà avere una tensione pari a

tensione sulla base =

ottenibile con un partitore resistivo che soddisfi la relazione

posto si ha

(arrotondata in )

I resistori che limitano la corrente di emettitore a riposo ad devono essere dimensionati come segue:


Il resistore , che con determina il guadagno di amplificazione ( nel calcolo del guadagno si ritiene trascurabile essendo piccola rispetto ai valori delle resistenze in gioco , per ottenere la massima escursione del segnale d’uscita deve essere:


Per avere il guadagno di amplificazione voluto di (pari a volte) il resistore deve essere:

ne consegue che il valore di debba essere:

arrotondata a

Una valutazione complessiva della resistenza d’ingresso del circuito deve essere fatta come segue:

Il valore di Ri è dato dal parallelo dei valori di

da cui

.

Una valutazione della resistenza d’uscita del circuito deve essere fatta come segue:

Il valore di è dato dal parallelo della resistenza di collettore e della resistenza di carico ; il valore di , per transistore con emettitore a massa, è dato da:

dove è la conduttanza d’uscita su collettore per emettitore a massa, quindi:

essendo , si avrebbe:

Una valutazione dei valori di deve essere fatta come segue:

Per evitare che le reattanze di rispettivamente , provochino tagli in ampiezza del segnale, sia all’ingresso che all’uscita, è ragionevole assumere questi valori dell’ordine di delle resistenze alle quali sono collegati; quindi:

da cui


da cui

Una valutazione del valore di deve essere fatta come segue:

Se si vuole che non incida sul guadagno di tensione dell’amplificatore, affidato esclusivamente ad , la reattanza , alla frequenza di lavoro </math>5000 \ Hz</math>, deve essere almeno del valore di pertanto si ha:

Una valutazione della tensione massima del segnale sul collettore deve essere fatta come segue:

Essendo la tensione di riposo ai capi di pari a la tensione sul collettore è di e la dinamica di escursione del segnale attorno a questo valore non può che essere dell’ordine di:

escursione massima di tensione sul collettore =

arrotondata prudenzialmente in

Il livello del massimo segnale d’ingresso all’amplificatore deve essere:

Tensione massima d’ingresso = essendo la tensione massima d’uscita ed il guadagno dell’amplificatore uguale a

Da un rapido calcolo sulla dissipazione delle resistenze del circuito risulta sempre:

Una serie di misure può essere fatta sul circuito di figura 1 con una tensione sinusoidale di ampiezza applicata all’ingresso; i dati indicativi dei livelli dei segnali sono misurabili con un oscilloscopio disposto in c.c. così come riportato in figura 2:


figura 2

I valori delle tensioni riportati nella figura sono quelli ottenuti a calcolo; i rilievi strumentali evidenzieranno valori sensibilmente diversi a causa, sia delle approssimazioni fatte in sede di dimensionamento dei componenti, sia delle tolleranze sui parametri di Tr che sono indicate dal costruttore come tipiche, massime, o minime.

Si può pertanto scrivere: valori misurati » +/- 10 % (valori calcolati)

Osservazioni sul guadagno d'amplificazione del circuito

Nel calcolo del guadagno dell’amplificatore di figura 1 abbiamo utilizzato la formula

un’analisi veloce della quale farebbe pensare che incrementando a piacere , si potesse ottenere qualsiasi valore di guadagno, così come si potesse incrementare il guadagno riducendo a valore zero la resistenza

L’aumento di in effetti incrementa il guadagno ma non indefinitivamente perché nella formula è stato omesso, per semplicità, il termine relativo alla resistenza di collettore che viene a trovarsi in parallelo ad  ; l’omissione è stata giustificata dal fatto che è di fatto molto più piccola di

La riduzione di porta in realtà ad un incremento di guadagno ma affida quest’ultimo al valore di che non è quantizzabile con precisione e dipende, tra l’altro, anche dalla temperatura di lavoro.

Da quanto detto possiamo pertanto affermare:

Per ottenere valori di amplificazione controllati dal calcolo devono essere:

Il controllo dell’amplificazione, mediante componenti esterni al transistore, si concretizza di fatto mediante l’inserzione della resistenza che realizza, anche se non esplicitamente evidenziato, un semplice anello di controreazione [3] introducendo in serie alla tensione d’ingresso una piccola parte della tensione d’uscita.

Si possono realizzare stadi a transistori ad elevata amplificazione assumendo, sia valori di molto grandi, sia valori di nulli; in questi casi, peraltro sconsigliabili, il valore del guadagno potrà variare, sia da transistore a transistore dello stesso tipo, sia con le variazioni della temperatura ambiente, e non sarà mai calcolabile a priori con le tolleranze del alle quali abbiamo fatto cenno in precedenza.

Un circuito a transistori ad elevato guadagno di amplificazione[modifica]

Forti delle osservazioni riportate a chiusura del tema precedete impostiamo un circuito ad elevato guadagno di amplificazione, ( volte), cercando di ottenere un dispositivo il cui guadagno sia completamente affidato a reti resistive e quindi il più possibile indipendente dai parametri dei transistori impiegati.

Un amplificatore di questo tipo può essere realizzato disponendo in cascata due circuiti, del tipo riportato in figura 1 , secondo lo schema di figura 3.

Soluzioni più snelle ed eleganti saranno prese in considerazione nelle lezioni successive.

figura 3

I due circuiti d’amplificazione sono identici, l’uscita del primo stadio è collegata all’ingresso del secondo mediante il primo condensatore .

Dato che il guadagno di ciascuno dei due stadi è di pari a ( volte) il segnale all’ingresso (punti 1 e 2) sarà moltiplicato per volte nel primo stadio ed altre volte nel secondo per un totale di volte, pari a

Alcune considerazioni devono essere fatte:

  • Controllo della resistenza d’ingresso del secondo stadio:

La del secondo stadio deve essere del primo stadio per non caricare stessa; le due resistenze calcolate nell'esercizio precedente soddisfano il requisito essendo:

  • Controllo del massimo segnale applicabile all’ingresso dell’amplificatore (punti 1 e 2):

Se il massimo segnale d’uscita dell’ultimo stadio è . (valore calcolato nell’esercizio precedente) il massimo segnale all’ingresso del nuovo amplificatore dovrà essere:

  • Controllo del consumo:

Quando gli amplificatori di tensione utilizzano più stadi è opportuno eseguire un semplice computo del consumo previsto:

consumo dei due partitori di base

consumo dei due transistori in assenza di segnale (dai calcoli precedenti)


  • Osservazioni sui componenti:

I componenti già calcolati in precedenza per la frequenza di sono:

: Quest’ultimo componente si rende prudenzialmente necessario per evitare accoppiamenti spuri tra il primo ed il secondo stadio attraverso i cavi d’alimentazione del

Osservazioni sul circuito di misura: Il circuito di misura presenterà livelli di tensioni continue analoghe a quelle misurabili nel circuito di figura 2.

Con una tensione d’ingresso di l’uscita ai punti (3 e 4) sarà di e, contrariamente al circuito ad un solo stadio, sarà in fase con la tensione d’ingresso.

Il guadagno dell’amplificatore risulterà di circa volte; per questa ragione il circuito dovrà essere costruito con cura evitando percorsi lunghi nei collegamenti e curando che la “zona di massa” venga collegata ad un involucro metallico che potrà fungere da contenitore provvisorio del circuito sperimentale.

Un controllo generale del consumo è consigliabile perché eventuali notevoli differenze tra il valore calcolato ed il valore misurato possono essere indicative di instabilità dell’amplificatore ( tendenza indesiderata all’oscillazione).

Con guadagni dell’ordine di l’uscita dell’amplificatore evidenzia un poco di rumore dovuto in prevalenza all’agitazione termica dei componenti del primo stadio; trascuriamo il calcolo e il rilievo di questo rumore riservandoci un’analisi accurata del fenomeno nelle lezioni seguenti.

Note[modifica]

  1. I guadagno espresso in deciBel ( ) si computa facendo il logaritmo del rapporto tra due grandezze : dove si = tensione d’ingresso piedini 1 e 2, su = tensione d’uscita piedini 3 e 4) (si veda appendice A0 )
  2. Stabilito a priori che il valore di picco della tensione d'uscita non dovrà essere superiore a questo rapporto garantisce che in regime dinamico il transistore non sfiori la saturazione (si veda figura 2).
  3. Della controreazione si tratterà nelle successive lezioni ( si veda appendice A1 )