AMPLIFICATORI Amplificatore differenziale a BJT Amplificatori operazionali. Sorgenti Controllate e...

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AMPLIFICATORI

• Amplificatore differenziale a BJT• Amplificatori operazionali.• Sorgenti Controllate e Amplificatori • Classificazione degli amplificatori• Amplificazione con “feedback”• Effetti del “feedback”• Applicazioni degli amplificatori operazionali.

• Integratori, differenziatori, giratori, DAC.• Comparatori

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Amplificatore differenziale a transistor(Millman-Grabel Cap. 10-18,10-19)

sistema il risolvendo

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Amplificazione dell’amplificatore differenziale a transistor

• Supponiamo di inviare nei due ingressi due segnali opposti: v1=-v2=v . Come conseguenza la somma delle correnti di emettitore non varia e l’amplificazione del circuito è RC/r il cui valore numerico è O(102).

• Se invece inviamo nei dei ingressi lo stesso segnale v1=v2=v l’amplificazione vale ~RC/2RE il cui valore numerico è O(10).

• Di conseguenza questo amplificatore (di tipo differenziale) amplifica maggiormente la differenza tra gli ingressi mentre tende ad essere meno sensibile al loro modo comune

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Amplificatore differenzialetensione di uscita per segnali qualsiasi

CMDMDMCM

CMDMDMu

CMCMDMDMu

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Amplificatore Operazionale Ideale

Simbolo circuitale dell’amplificatore operazionale (ideale)

L’amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale di tensione accoppiato in continua con alto guadagno di tensione.

Ingresso non invertente

Ingresso invertenteUscita

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Caratteristiche dell’Amplificatore Operazionale Ideale

1. Resistenza d’ingresso infinita

2. Resistenza d’uscita zero

3. Amplificazione infinita (Implica la massa virtuale)

4. Risposta uniforme a tutte le frequenze (0-∞)5. Se v+=v- allora vu=0.

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Applicazioni dell’operazionale (ideale)

Massa virtuale Avv se

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Applicazioni dell’operazionale (cont.)

Circuito sommatore di tensioni

Questo circuito può essere usato come un DAC • se Rk=R0/ 2k

• e se le tensioni in ingresso rappresentano un numero digitale (linea 0 LSB e linea 3 MSB)

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AMPLIFICATORI REAZIONATI(Millman-Grabel sez.3-1,12-1-2-3-4-5)

• Corrispondenza tra amplificatori e generatori controllati• Classificazione degli amplificatori e condizioni di idealità

in relazione alle impedenze.• Concetto di “Feedback” e sua formulazione matematica• Effetto della reazione sui parametri degli amplificatori.

• Altre applicazioni degli operazionali:– Integratore– Differenziatore– Giratore.

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Generatori controllati e amplificatori

I generatori controllati sono i dispositivi con i quali è possibile descrivere il comportamento degli amplificatori. Nella figura seguente è mostrato un generatore di corrente controllato in corrente. La corrente di uscita Io è legata a quella di ingresso dal parametro A (amplificazione di corrente).L’effetto della corrente in ingresso è trasferito in uscita attraverso il generatore. L’uscita non ha alcun effetto sull’ingresso. In questo caso la rete è detta unilaterale.

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Classificazione degli amplificatori• Quattro tipi di Amplificatori: uno per ogni tipo di

generatore controllato.

• Amp. di Tensione AV

• Amp. di Corrente AI

• Amp. a Transconduttanza G (convertitore Tensione Corrente)

• Amp. a Transimpedenza Z (convertitore Corrente Tensione)

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Amplificatore di tensione

Vs ViVu

++AVVi

Condizione di idealità:

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Amplificatore di corrente

RsIs RLRuRi

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Amplificatore a Transconduttanza

iu RRs

Convertitore Tensione - Corrente

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Amplificatore a Transimpedenza

RsIs Ri

iu RRs

Convertitore Corrente - Tensione

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Sorg.Rete diSomma

Ampl.Rete di Campio-

namento.Carico.

ReteReaz.

Il concetto di “FEEDBACK”

La reazione o feedback è la procedura che riporta in ingresso una frazione del segnale di uscita in modo che la somma dei due segnali sia quella in ingresso al sistema.

+ +_Vi _ Vu

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La Rete di Campionamento

Rete di Feedback

(a)Campionamento della tensione di uscita

(b)Campionamento della corrente di uscita

IoAmpl.

Ampl.Carico

Carico

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La Rete di Confronto o Somma

Rete di Feedback

(a)Confronto in serie oSomma di tensione

(b)Confronto in parallelo o

Somma di correnteVi Vs – Vf Ii Is – If

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L’Amplificatore Reazionato ideale• X indica corrente oppure tensione a seconda dei casi

• AOL indica l’amplificazione, detta Open Loop, dell’amplificatore

• indica la frazione del segnale di uscita riportato in ingresso

Xu=AOL Xi

Xs=Xi+Xf

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Assunzioni di base per il calcolo dell’amplificazione con reazione

1. Il segnale di ingresso e trasmesso all’uscita solo attraverso l’amplificatore e NON attraverso la rete di reazione – La rete di feedback è unilaterale

2. Il segnale di feedback ingresso è trasmesso dall’uscita all’ingresso solo attraverso la rete L’amplificatore è unilaterale.

3. Il rapporto di trasferimento non dipende dal carico o dalla impedenza del generatore

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Effetti della reazione sull’amplificatore

1. Stabilizzazione del guadagno

1 nte tipicame

)1()1(

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Effetti della reazione sull’amplificatorecont.

2. La reazione tende a rendere “ideali” le impedenze di ingresso e di uscita dell’amplificatore.

Esempio. L’impedenza di ingresso di un amplificatore di tensione con reazione in serie (reazione di tensione) è:

etipicament

)1()1(

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Effetti della reazione sull’impedenza di uscita dell’amplificatore.

Rete di Feedback

Ampl.Carico

Carico

cauF R

cauF RTRT

VR )1()1(

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Operazionale reale: A741

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Il A741

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Risposta in frequenza di un operazionale reale

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Risposta in frequenza di un operazionale

)0()0(1)0(1

FOLhFH

Se ne deduce che il prodotto tra il valore dell’amplificazione reazionata a frequenza nulla e la relativa frequenza di taglio è una costante

)0()0(1

)0()0(1)0(

FOLhFH

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Integratore con operazionale

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L’amplificatore operazionale reale(Millman Grabel: )

+A(v+-v-)

IB-IB+

Vio Tensione di offset di ingresso

IB+ IB+ Correnti di polarizzazione “bias”

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Esempio di circuito reale Integratore con operazionale

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Derivatore con operazionaleIl differenziatore ideale è intrinsecamente instabile per l’inevitabile presenza del rumore elettrico in ogni sistema elettronico. Un differenziatore ideale amplificherebbe questo pur piccolo rumore. Supponiamo che di avere un rumore di ampiezza 1mV ad una frequenza di 10Mhz. Se applicato al circuito di figura (senza resistenza in ingresso e capacità di feedback) in uscita si avrebbero 63V! Per prevenire questo problema si aggiunge una resistenza in serie e un condensatore in parallelo al feedback. In questo modo, tuttavia, si trasforma il differenziatore in un integratore per le alte frequenze

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Analisi in frequenza dell’Integratore/Differenziatore

RCjCRjCRj

DAC con circuito a scala R-2R

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R R R 2R

2R 2R 2R 2R

1 2 4 8+

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Circuito Giratore

Il circuito giratore è un quadrupolo definito dalle seguenti relazioni costitutive:

Il circuito giratore è lineare, passivo e “privo di memoria”.La caratteristica fondamentale del Giratore è lo scambio fra corrente e tensione tra le due porte.

Se chiudiamo la porta 2 su una resistenza R si ha

122 IR

VrVRIV

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Se chiudiamo la porta 2 su una capacità C si ha

Circuito Giratore (cont.)

ˆˆˆ

drIYrVIrIYIZrI

rIVIZV

Vista dalla porta 1 la capacità appare come un induttanza

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Circuito Giratore (cont.)

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Circuito Giratore (con due operazionali)

Vu1Vu2

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Amplificatori operazionali non reazionati

Uso di un operazionale senza reazione:

se: v+>v- vo= vmax (+V)

se: v+<v- vo= vmin (–V)

L’uscita puo’ essere limitata tra 0 e VMax Tipico uso digitale

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Amplificatori operazionali non reazionatiCOMPARATORI

Uso di un operazionale senza reazione:

se: v+>v- vo= vmax (+V)

se: v+<v- vo= vmin (–V)L’uscita puo’ essere limitata tra 0 e VMax Tipico uso digitale (Open Collector)

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