Elettronica pratica/Amplificatori

Tipi di Amplificatori

Gli Amplificatori sono generalmente collocati in quattro categorie: di tensione, di corrente, di transresistenza e di transconduttanza. Un modello di amplificatore di tensione è mostrato nella Fig.1. Gli amplificatori reali hanno una resistenza d'entrata ed una resistenza d'uscita. Ciò è evidenziato nella Fig.1.

Guadagno

Il guadagno è l'aumento nella intensità di un segnale e spesso è espresso in decibel (dB). Un aumento di 3 dB è approssimativamente uguale al raddoppiamento in scala lineare.

Un guadagno maggiore di 0 dB è definito amplificazione, mentre un guadagno inferiore di 0 dB (negativo) è definito attenuazione.

Al guadagno vengono attribuiti simboli differenti dipendenti dal tipo di amplificatore. Guadagno a vuoto: guadagno di tensione è A_vo, guadagno di corrente è A_io, transconduttanza G_m e transresistenza R_m.

Facendo uso del modello, il guadagno a carico può venire calcolato.

Configurazioni degli amplificatori a transistori

A ciascun tipo di transistori che vanno per la maggiore, p.es. FET e BJT, corrispondono degli amplificatori con particolari configurazioni.

Ciascuna configurazione ha un diverso guadagno e diverse impedenze d'entrata e d'uscita.

Configurazioni BJT

Ci sono tre configurazioni per i transisstori BJT ciascuna delle quali prende il nome da uno dei terminali. Queste configurazioni sono: a

collettore comune (inseguitor d'emettitore), a emettitore comune e a base comune.

Emettitore comune

Common Emitter Amplifier

caratteristiche qualitative
Guadagno di corrente	elevato
Guadagno di tensione	elevato
Impedenza d'entrata	media
impedenza d'uscita	media

Collettore comune

caratteristiche qualitative
Guadagno di corrente	elevato
Guadagno di tensione	≈1
Guadagno di potenza	basso
Impedenza d'entrata	elevata
impedenza d'uscita	bassa

Base comune

caratteristiche qualitative
Guadagno di corrente	≈1
Guadagno di tensione	elevato
Guadagno di potenza	medio
Impedenza d'entrata	bassa
Impedenza d'uscita	elevata

Configurazioni FET

Alla pari delle configurazioni BJT, ci son tre configurazioni FET, ciascuna corrispondente ad uno dei terminali del transistore.

Source comune

Common Source Amplifier

Drain comune

Common Drain Amplifier

Gate comune

Common Gate Amplifier

Classe

I transistori possono essere polarizzati in una varietà di classi. Un compromesso tra la linearità e il consumo di potenza viene comunemente cercato nel caso della classe A.

Classe A

Il transistore è attivo per tutto il tempo. Diciamo 360 gradi di conduzione, il che rappresenta un intero periodo di una forma d'onda sinusoidale.

Dal punto di vista ideale, questa classe produce una bassissima distorsione, però consuma parecchia potenza ed è anche il meno preferito.

Classe AB

Il transistore è attivo per un po' più di mezzo ciclo (>180 gradi) di un'onda sinusoidale ed è la configurazione più comune che è usata negli amplificatori audio di potenza in push-pull. Negli amplificatori in push-pull, la classe AB produce in maggioranza delle distorsioni di ordine dispari, tuttavia essa è di gran lunga più efficiente per quanto concerne la potenza di quello che lo sia la classe A. Le distorsioni di ordine dispari non sono piacevoli da udire negli amplificatori audio di potenza. Questa distorsione può venire facilmente rimossa con l'adozione di una semplice controreazione negativa.

Classe B

Il transistore è attivo solo per mezzo ciclo ( esattamente per 180 gradi) di un'onda sinusoidale e nondimeno viene tipicamente molto usata nei circuiti degli amplificatori a push-pull. Teoricamente questa classe produce per lo più distorsioni di ordine dispari. Nelle applicazioni audio le distorsioni di ordine dispari sono considerate sgradevoli da udire. È molto difficile costruire un amplificaore di classe B a bassa distorsione e quindi la classe AB e quasi universale.

Classe C

Il transistore è in funzione per meno di mezzo ciclo di un'onda sinusoidale. Si dice che conduce per meno di 180°. Questa classe produce sia distorsioni di ordine pari che distorsioni di ordine dispari, tuttavia è molto efficiente.

Classe D

L'amplificatore di classe D è stato sviluppato in seguito agli inconvenienti delle generazioni passate, includendo le classi A, B, AB, e C. Molte persone assumono la D per Digitale. Quantunque sia un amplificatore di commutazione, significando che si attiva e si disattiva ad una frequenza specifica, è una assunzione sbagliata. La lettera D era semplicemente la lettera prossima nell'alfabeto. Poiché consumano il minimo di potenza delle sue generazioni precedenti, gli amplificatori della Classe D sono generalmente più piccoli, il che li rende ideali per i dispositivi mobili. Per il loro rendimento, piccole dimensioni, ed il loro basso costo gli amplificatori di classe D stanno diventando il nuovo standard industriale per l'elettronica audio. Industrie come Advanced Analog, Texas Instruments come pure altre compagnie hanno lanciato degli amplificatori di classe D stereo da 50 w che sono delle dimensioni di un centesimo e che non richiedono nessuna sorta di dissipatori di calore, qualcosa che era impossibile con gli altri tipi di amplificatori.

Il progetto di base include due Transistori MOSFET in serie, un pFET ed un nFET che è pilotato da un segnale impulsivo modulato in larghezza (PWM). Per le proprietà dei transistori MOSFET essi sono o totalmente chiusi o totalmente aperti. Sono aperti quando il transistore è non attivo e la corrente è zero (cosicché l'ammontare di energia dissipata per riscaldare il transistore è zero), o sono totalmente chiusi quando il transistore è attivo e la tensione ai suoi capi è molto prossima allo zero (cosicché l'ammontare di energia dissipata per riscaldare il transistore è nuovamente molto prossima allo zero).

Abbisignando i segnali analogici di venire trasformati in segnali PWM un certo ammontare di distorsione si può verificare, ma l'ammontare della distorsione può essere reso minimo. Poiché un segnale PWM è molto simile ad un segnale digitale, il teorema del campionamento di Nyquist-Shannon afferma che se la frequenza di campionatura è più della metà della frequenza massima della sorgente esso può essere riprodotto esattamente. Per i segnali audio la frequenza massima percepita dall'uomo è circa di 20 kHz, conseguentemente un generatore di PWM necessiterebbe di fornire una frequenza minima di commutazione di soli 40 kHz.

Per la recente disponibilità di componenti più veloci, molti progettisti di amplificatori di classe D preferiscono impiegare frequenze di commutazione prossime a 400 kHz per ridurre ulteriormente la distorsione. Ragioni di preoccupazione relative agli amplficatori di classe D includono le emissioni elettromagnetiche, a causa della presenza nel circuito di segnali nello spettro delle frequenze medie, si devono prendere opportuni provvedimenti per ridurre l'emissione di questi segnali che potrebbero interferire con altri dispositivi elettronici.