Spettro di frequenza dei segnali Segnale sinusoidale fondamentale va (t ) VA sin t Segnali periodici di forma arbitraria possono essere ottenuti come serie di Fourier di segnali sinusoidali 0 4V 1 1 sin t sin 3 t sin 5 t 0 0 0 3 5 2 0 frequenza fondamentale T v (t ) Spettro di frequenza: ampiezze delle sinusoidi della serie 0 Lo spettro consiste di frequenze discrete: 0 (frequenza fondamentale) e le sue armoniche Segnali non periodici Lo spettro consiste di frequenze è continuo 0 Amplificazione del segnale vO (t ) vI (t ) Linearità: vO (t ) AvI (t ) Guadagno: Av vO vI caratteristica di trasferimento La necessità dell’amplificazione Esempio: segnali prodotti da rivelatori di particelle Spesso l’ampiezza (e la potenza) del segnale è piccola Stadio di amplificazione prima dell’ADC Guadagno • Guadagno di tensione: Av vO vI • Guadagno di corrente: iO AI iI • Guadagno di potenza: AP iO vO iI v I Espressione del guadagno in decibel (dB) • Guadagno di tensione (dB): 20 log | Av | • Guadagno di corrente(dB): 20 log | AI | • Guadagno di potenza(dB): 10 log AP Un guadagno negativo non significa attenuazione Il guadagno di potenza Potenza fornita dalle alimentazioni Potenza del segnale di output Potenza dissipata in calore dall’amplificatore L’energia richiesta per per aumentare la potenza del segnale di ingresso viene fornita dalle alimentazioni Efficienza dell’amplificatore Pload 100 Pdc Esempio Saturazione L = livelli di saturazione = tensione di alimentazione entro qualche V picchi dell’output tagliati a causa della saturazione forma d’onda di output Dobbiamo avere L L vI Av Av forma d’onda di input Caratteristica di trasferimento non lineare e biasing In generale la caratteristica di trasferimento non è lineare su tutte le tensioni di input biasing attorno a VI vI (t ) VI vi (t ) vO (t ) VO vo (t ) vo (t ) Av vi (t ) dvO Av dvI Q Esempio Caratteristica di trasferimento di un transistor vO (t ) 10 1011 e 40vI vI 0 vO 0.3 abbiamo L-=0.3, che corrisponde a vI=0.69 V. Il limite L+ è dato da vI=0, L+=10-10-11 10 V Modello di circuito per l’amplificatore di tensione Input collegato fra questi due punti Output prelevato fra questi due punti Analisi del primo stadio: è collegato un generatore di tensione reale modellato cone un generatore ideale vs con in serie una resistenza Rs partitore di tensione: ai capi di Ri appare solo una frazione di vs Analisi del secondo stadio stadio: è presente un generatore di tensione Avvi che amplifica vi partitore di tensione: ai capi di RL appare solo una frazione di Avvi Mettendo tutto assieme: Av: guadagno di tensione dell’amplificatore ideale Esempio: amplificatore a 3 stadi Av1 Av 2 vi 2 100k 10 9.9 V/V vi1 100k 1k vi 3 10k 100 90.9 V/V vi 2 10k 1k vL 100 Av 3 1 0.909 V/V vi 3 100 10 Av vL Av1 Av 2 Av 3 818 V/V vi1 58.3 dB guadagno di corrente vi1 1M 0.909 vis 1M 100k Ai io vL / 100 ii vi1 / 1M 10 4 Av 8.18 106 A/A vi1 vL vL vi1 Av vis vi1 vis vis 818 0.909 743.6 V/V 57.4 dB guadagno di potenza PL vLio AP Av Ai PI vi1ii 818 8.18 106 66.9 108 W/W 98.3 dB L’amplificatore di corrente un amplificatore di corrente dovrebbe avere: • Ri = 0 (resistenza di input) • Ro= (resistenza di output) Risposta in frequenza Misura della risposta in frequenza con un input sinusoidale vi=Visin t vo=Vosin (t+) Vo T ( ) Vi T ( ) 3bB Reti STC (Single Time Constant) Analisi del filtro passa-basso nel dominio delle frequenze segnali in notazione complessa Legge di Ohm generalizzata v(t) = Z i(t) Grafici di Bode T ( ) 1 1 ( / 0 ) 2 Filtro passa-basso 3dB 0 = 1/RC 20log T () (dB) / 0 scala log tan 3dB 1 vo vi vi ZC ZC Z R 1 1 jRC Grafici di Bode del filtro passa-alto T ( ) 1 1 ( 3dB / ) 2 Filtro passa-alto 3dB = 1/RC tan 1 3dB vo vi vi ZR ZC Z R 1 1 j 3dB / Risposta in frequenza di un amplificatore di tensione Vi Vs lato input lato output Ri || Z C RS Ri || Z C 1 1 1 RS / Ri 1 jC RS Ri /( RS Ri ) Vo Vi RL RL RO Risposta in frequenza di un amplificatore di tensione Il modello di amplificatore di tensione ha una risposta un frequenza ideale: Vo/Vi non dipende da Negli amplificatori reali sono presenti componenti capacitive che modificano la risposta Possibile comportamento tipo filtro passabasso Un semplice modello consiste nell’introdurre un capacitore C in parallelo con la resistenza di input Ri Analisi della parte sinistra senza capacitore (vecchia analisi) col capacitore (nuova analisi) Vo 1 1 1 VS 1 RS / Ri 1 Ro / RL 1 jC RS Ri /( RS Ri ) Il guadagno dc (=0) è K Vo 1 1 ( 0) VS 1 RS / Ri 1 Ro / RL Abbiamo dunque una risposta tipo passa-basso Vo 1 K VS 1 j / 3dB 3dB 1 C ( Rs || Ri ) (riducendo VS a zero, vediamo subito che la resistenza vista da C è Rs||Ri) Esempio Poniamo Rs=20 k, Ri=100k , Ci=60 pF, =144 V/V, Ro=200 , RL=1 k. Calcoliamo: • il guadagno dc • la frequenza a cui il guadagno diventa 0 dB • la frequenza 3 dB Classificazione degli amplificatori Esempio di risposta in frequenza (amplificatore audio) Discesa ad alta frequenza dovuta a capacità interne come nel modello Discesa ad bassa frequenza? Potrebbe essere dovuta a un capacitore posto fra due stadi di amplificazione (coupling capacitor) Spesso è importante mantenere il guadagno anche a basse frequenze Amplificatori dc-coupled Risposta in frequenza tipo filtro passa-basso Amplificatori passa-banda