Amplificatori

Amplificatore audio valvolare ADM32

In fase di sviluppo Stesura preliminare In fase di sviluppo

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).

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 di segnali
In genere questi amplificatore hanno in ingresso segnali molto piccoli (millivolt o microvolt) ed in uscita segnali dell'ordine di uno o due 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) 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) GV, definito come il rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso (nota 2):

GV = VOUT / VIN

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] = VOUT[dBV] - VIN[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:

VIN = 71 mV = -23 dBV

VOUT = 778 mV = -2.2 dBV

G = -2.2 - (-23) = 20.8 dB (nota 6)

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:

GP = POUT / PIN

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] = POUT[dBm] - PIN[dBm]

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

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.

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

G = 100  → G = 10·log(100) = 20 dB

POUT = 0.1·100 = 10 mW

POUT = -10 + 20 = 10 dBm

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

Distorsione

Con il termine distorsione si intende la modifica della forma del segnale in uscita rispetto a quello di ingresso. In genere in un amplificatore questo è ritenuto un difetto, ma esistono circuiti che introducono intenzionalmente distorsioni.

Le distorsioni vengono classificate come:

In genere in un circuito reale sono presenti contemporaneamente tutti questi tipi di distorsione.

Distorsione di ampiezza

La distorsione di ampiezza si manifesta quando il guadagno G non è costante, ma dipende dalla frequenza.

Consideriamo per esempio un amplificatore con guadagno di tensione:

Di seguito ingresso (a sinistra) ed uscita (a destra) nel caso in cui l'ingresso sia pari alla somma di una sinusoide con frequenza 1 kHz ed una con frequenza 2 kHz, entrambe con ampiezza 1 V. Il primo grafico è nel dominio del tempo

Distorsione di ampiezza

La seconda coppia di grafici mostra sempre ingresso (a sinistra) ed uscita (a destra) nel dominio delle frequenza, rendendo più chiaro il legame tra guadagno e frequenza:

Si noti che tale comportamento è un difetto per gli amplificatori, ma la base nel funzionamento dei filtri.

Tale distorsione può essere presente in tutti i circuiti, lineari e non lineari. Essa non si manifesta se in ingresso è presente solo una sinusoide.

Per limitare l'effetto della distorsione di ampiezza, l'amplificatore deve essere utilizzato solo nell'intervallo di frequenza in cui il suo guadagno è costante (banda dell'amplificatore).

Distorsione da ritardo di gruppo

Se in un amplificatore il tempo impiegato da un segnale per passare dall'ingresso all'uscita non è costante, ma dipende dalla frequenza, siamo di fronte ad una distorsione da ritardo di gruppo (nota 4).

I grafici seguenti mostrano ingresso ed uscita di un amplificatore esemplificativo con G = 10; esso non è ideale e causa distorsioni da ritardo di gruppo.

Segnali di ingresso

Effetto della distorsione di fase

La distorsione da ritardo di gruppo non è visibile nel grafico dei moduli dello spettro (nota 5).

Tale distorsione può essere presente in tutti i circuiti, lineari e non lineari. Essa non si manifesta se in ingresso è presente solo una sinusoide.

Per limitare l'effetto della distorsione da ritardo di gruppo, l'amplificatore deve essere utilizzato solo nell'intervallo di frequenza in cui il suo ritardo è costante.

Distorsione armonica

La distorsione armonica (HD) è tipica dei circuiti non lineari. Se presente, in uscita sono presenti linee spettrali con frequenza multipla intera delle linee spettrali presenti in ingresso.

Di seguito un esempio relativo ad un amplificatore con guadagno G = 10; sono mostrati ingresso ed uscita, sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza.

Il nome distorsione armonica deriva dal fatto che in uscita sono presenti linee spettrali assenti in ingresso e con frequenza multipla intera del segnale di ingresso, cioè armoniche.

Due osservazioni:

Distorsione da intermodulazione

La distorsione da intermodulazione (IMD) di manifesta nei circuiti non lineari quando in ingresso sono presenti almeno due sinusoidi.

Se un amplificatore presenta questo tipo di distorsione, nell'ipotesi di ingresso costituito da due sole linee spettrali con frequenza f1 ed f2, in uscita sono presenti:

Un esempio: l'ingresso è costituito dalla somma di due sinusoidi con frequenza 3 kHz e 3.5 kHz. In uscita avremo

Di seguito la rappresentazione dell'ingresso (in rosso, in alto) e dell'uscita (in verde, in basso) nel dominio delle frequenza:

Distorsione da intermodulazione

Nel dominio del tempo in grafico non è particolarmente significativo; lo riporto solo per completezza:

Distorsione da intermodulazione

Un'osservazione su questo esempio: la distorsione da intermodulazione di questo amplificatore è davvero MOLTO elevata, più di quanto in genere ritenuto accettabile.

Misura della distorsione

Le distorsioni da non linearità possono essere misurate attraverso:

Rumore

Il rumore (elettronico) è un segnale indesiderato che si somma al segnale utile, degradandolo. A differenza della distorsione, il rumore è presente in qualunque circuito indipendentemente dalla presenza di un segnale.

Il rumore deriva da:

Di seguito l'uscita di un amplificatore con ingresso pari a 0 V, nel dominio del tempo ed in quello delle frequenza. I grafici sono visivamente molto simili (a meno delle grandezza riportate sugli assi!) ed hanno un andamento casuale:

Ovviamente il rumore è presente anche se all'ingresso dell'amplificatore è presente un segnale. Lo spettro seguente mostra una sinusoide con frequenza 500 Hz ed ampiezza 20 dBV in presenza di rumore con ampiezza inferiore a -60 dBV. Da questa figura si intuisce che:

Note

  1. 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 ritardi tra uscita ed ingresso, sempre presente
  2. In questo contesto è indifferente utilizzare la tensione efficace oppure quella di picco, purché ovviamente si utilizzi la stessa grandezza per ingresso ed uscita.
  3. Se il circuito è lineare, tutti i segnali sono sinusoidali con la stessa frequenza, quindi la singola sinusoide non è mai distorta
  4. La distorsione da ritardo di gruppo, peraltro qui senza una definizione rigorosa, è spesso indicata come distorsione di fase, stante il legame tra queste due grandezza. Un circuito non presenta distorsione di fase se la fase di una sinusoide in uscita è direttamente proporzionale alla sua frequenza
  5. Per osservare la distorsione da ritardo di gruppo occorre il grafico della fase, qui non descritto
  6. Evidentemente 20 log(11) = 20.8 dB


Pagina creata nell'ottobre 2020. Ultima modifica: 24 novembre 2020


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