Amplificatori

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Stesura preliminare

Un amplificatore è un quadripolo in cui la potenza del segnale di uscita è maggiore della potenza del segnale di ingresso.

Ovviamente per poter funzionare un amplificatore necessita di una fonte di energia, normalmente sotto forma di una generatore di tensione continua.

L'obbiettivo da raggiungere è mantenere la forma del segnale di uscita il più possibile uguale a quella del segnale presente in ingresso, cioè:

rendere nulla la distorsione del segnale in uscita rispetto a quello di ingresso (nota 1)
evitare che in uscita siano presenti segnali non presenti in ingresso, in particolare non dovrebbe essere presente rumore

Nella fotografia di apertura: un amplificatore valvolare per chi ha tanta passione per l'alta fedeltà e tanti (ma davvero tanti) soldi da spendere. Sull'effettiva qualità non mi esprimo...

Tipi di amplificatore

Una classificazione può essere fatta in base al tipo di segnale in ingresso ed in uscita:

Amplificatore per piccoli segnali: In genere questi amplificatore hanno in ingresso segnali molto piccoli (millivolt) ed in uscita segnali dell'ordine di pochi volt. La frequenza di questi segnali va dalla continua e qualche decina di hertz.
Amplificatore di potenza: Le correnti e le tensioni in uscita da questi amplificatori sono dell'ordine degli ampere e delle decine di volt. In genere per questi amplificatori è fondamentale il rendimento, cioè la capacità di trasformare in potenza di uscita la potenza fornita dalle alimentazioni senza produrre eccessivo calore
Amplificatore audio: SI tratta di amplificatori pensati specificamente per amplificare suoni e musica, cioè segnali con frequenza compresa indicativamente tra 20 Hz e 20 kHz; questo intervallo viene ridotto da 300 Hz a 4 kHz se si è interessati alla sola voce umana (segnale vocale). Lo scopo è quello di preservare il più possibile le caratteristiche che l'orecchio umano è in grado di percepire. Gli amplificatori audio per piccoli segnali sono chiamati preamplificatori (per esempio servono per collegare l'uscita di un microfono) e quelli di potenza finali (termine non propriamente tecnico...) quando le potenze in gioco sono elevate, indicativamente da un centinaio di milliwatt a salire.
Amplificatori RF: Sono amplificatori progettati per operare con segnali a frequenze elevate, indicativamente in un sottoinsieme delle frequenza che vanno da decine di MHz a decine di GHz. Abbiamo amplificatori RF di segnale (per esempio collegati ad un'antenna ricevente>: LNA, Low-Noise Amplifier) o di potenza (per esempio collegati ad un'antenna trasmettente).
Amplificatori differenziali: Molti amplificatori amplificano una tensione di ingresso riferita a massa, cioè la differenza di potenziale tra l'unico ingresso e massa (singre ended). Un amplificatore differenziale amplifica invece una differenza di potenziale tra i suoi due ingressi, generalmente indicati con i simboli + e -. Casi esemplificativi sono la misura indiretta di una corrente attraverso la differenza di potenziale ai capi di un resistore oppure la misura di un segnale non direttamente collegato a massa.
Amplificatore per strumentazione: Si tratta di amplificatori differenziali ad alte prestazioni con corrente di ingresso molto piccola, guadagno elevato e molto accurato. Tipicamente sono utilizzate per amplificare tensioni molto piccole e provenienti da sorgenti con impedenza interna elevate.

Il guadagno

Il parametro fondamentale di un amplificatore è il guadagno (di tensione) G_V, definito come il rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso (nota 2):

G_V = V_OUT / V_IN

Il guadagno è evidentemente un numero puro, cioè non ha unità di misura.

Se il guadagno è in modulo maggiore di uno, evidentemente la tensione di uscita è, in modulo, maggiore di quella di ingresso.

Esempio 1

Il grafico seguente mostra ingresso (in verde) ed uscita (in rosso) di un amplificatore:

Tensione di ingresso ed uscita

Utilizzando le tensioni efficaci riportate in figura in basso a destra, il guadagno è pari a:

G = 778 / 71 = 11

Si noti che lo stesso risultato si ottiene anche utilizzando la tensione di picco invece che quella efficace:

G = 1.1 / 1 = 11

Altri esempi sono disponibili all'interno delle attività che utilizzano un simulatore oppure un amplificatore reale realizzato su breadboard.

Guadagno in unità logaritmiche

Il guadagno può essere indicato anche in unità logaritmiche, ricordando le definizioni qui descritte e le proprietà dei logaritmi per prodotti e somme:

G[dB] = V_OUT[dBV] - V_IN[dBV]

Se il guadagno espresso in decibel è maggiore di 0 dB, la tensione di uscita è, in modulo, maggiore di quella di ingresso.

Esempio 2

Calcoliamo il guadagno in unità logaritmiche relativamente agli stessi segnali dell'esempio 1:

V_IN = 71 mV = -23 dBV

V_OUT = 778 mV = -2.2 dBV

G = -2.2 - (-23) = 20.8 dB (nota 3)

Di notino le unità di misura indicate: sono corrette, malgrado ad un'analisi superficiale possano apparire errate...

Esercizio 3

Calcolare il guadagno utilizzando i dBu. Ovviamente il risultato rimarrà invariato.

Guadagno di potenza

In alcuni contesti, tipicamente nei sistemi di trasmissione via radio, si preferisce utilizzare il guadagno di potenza invece che quello di tensione. Le definizioni sono analoghe a quanto scritto per il guadagno di tensione:

G_P = P_OUT / P_IN

Il guadagno di potenza è evidentemente un numero puro, cioè non ha unità di misura.

Se il guadagno di potenza è in modulo maggiore di uno, evidentemente la potenza di uscita è, in modulo, maggiore di quella di ingresso.

Il guadagno di potenza può essere indicato anche in unità logaritmiche, ricordando le definizioni qui descritte e le proprietà dei logaritmi per prodotti e somme:

G[dB] = P_OUT[dBm] - P_IN[dBm]

Se il guadagno espresso in decibel è maggiore di 0 dB, la potenza di uscita è, in modulo, maggiore di quella di ingresso.

Nel caso particolare in cui l'amplificatore è adattato in ingresso ed in uscita e le impedenze di ingresso e di uscita coincidono, il guadagno di tensione ed il guadagno di potenza coincidono numericamente se espressi in unità logaritmiche. Tale situazione particolare è comune nei sistemi di comunicazione ad alta frequenza, ma non in altre situazioni.

Esempio 4

La potenza in ingresso ad un amplificatore è pari a 0,1 mW; il suo guadagno di potenza è pari a 100. Determinare la potenza di uscita, un unità lineari e logaritmiche.

P_IN = 0,1 mW → P_IN = 10·log(0.1) = -10 dBm

G = 100 → G = 10·log(100) = 20 dB

P_OUT = 0.1·100 = 10 mW

P_OUT = -10 + 20 = 10 dBm

(evidentemente 10·log(10 [mW]) = 10 dBm)

La banda

La banda di un amplificatore è l'intervallo di frequenza per cui l'amplificatore funziona correttamente; in questo intervallo il guadagno è costante, al di fuori il guadagno è significativamente minore, anche nullo. Spesso la banda è definita il corrispondenza della frequenza (o delle frequenze) alla quale il guadagno è di tre decibel inferiore al massimo (nota 4); tale definizione coincide con quella spesso usata per i filtri.

Per esempio un amplificatore audio è progettato per amplificare solo i segnali con frequenza compresa tra 20 Hz e 20 kHz, cioè le frequenza udibili da un essere umano. La banda di questi amplificatori è quindi di poco meno di ventimila herts (19 980 kHz, per la precisione...).

Un amplificatore che amplifica anche le tensioni continue è spesso chiamato amplificatore DC.

In genere un amplificatore è progettato per amplificare esclusivamente determinate frequenza, quelle del segnale che si vuole trattare. Infatti una banda eccessiva ha come effetto negativo quello di aumentare il rumore.

Rumore

Come in tutti i quadripoli, l'uscita contiene il segnale utile e rumore, che deve ovviamente essere il più basso possibile. In questo caso l'SNR è il parametro fondamentale.

Distorsione

Come in tutti i quadripoli, l'uscita è distorta rispetto all'ingresso; la distorsione deve ovviamente essere la più bassa possibile.

Note

Non è considerata distorsione un aumento dell'ampiezza del segnale di uscita rispetto all'ingresso (che in effetti è lo scopo per cui si usa un amplificatore...) né un ritardo tra uscita ed ingresso, sempre presente
In questo contesto è indifferente utilizzare la tensione efficace oppure quella di picco, purché ovviamente si utilizzi la stessa grandezza per ingresso ed uscita.
Evidentemente 20 log(11) = 20.8 dB
Se il guadagno di potenza diminuisce di 3 dB, la potenza dimezza

Pagina creata nell'ottobre 2020
Ultima modifica:9 gennaio 2023