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I3XTY > TUTTI 04.06.09 19:19l 412 Lines 14203 Bytes #999 (0) @ ITA
BID : 24280_I4UKI
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Qualche considerazione sul progetto di uno stadio
amplificatore di tensione
a transistors a cura dell'Ing. Vito Rogianti (Cq
elettr. 1967) :
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SEGNALI DEBOLI E SEGNALI FORTI :
Una distinzione fondamentale e' quella tra
amplificatori di tensione per segnali deboli e per
segnali forti.
Nel primo caso i segnali all'uscita
dell'amplificatore sono deboli ossia
sono piccoli rispetto per esempio alla tensione di
alimentazione sicche' le
escursioni attorno al punto di riposo sono
piccole e non ci si deve
preoccupare della distorsione.
In questi amplificatori spesso il guadagno e' piuttosto
elevato e siccome i
segnali all'uscita sono piccoli, quelli all'entrata
lo saranno assai di
piu', ragion per cui occorre prendere particolari
precauzioni nei confronti
del rumore.
Negli amplificatori per segnali forti il livello
dei segnali all'uscita
puo' essere dello stesso ordine di grandezza
della tensione di
alimentazione sicche' il problema principale
riguarda la distorsione e i
vari modi di ridurla tra cui la scelta accurata del
punto di lavoro, cioe'
delle polarizzazioni.
STADIO AMPLIFICATORE A TRANSISTORE :
Come si e' detto altre volte un transistore puo' essere
visto in modo assai
semplificato, ma abbastanza onesto, come "una
cosa" in cui entra una
corrente da una parte e ne esce una dall'altra,
amplificata secondo un
fattore che e' il cosidetto "beta" e il cui simbolo e'
hFE.
Se ci si chiede quale sia il guadagno in tensione
di un simile oggetto,
basta pensare che la corrente di uscita produrra'
una tensione ai capi
della resistenza di carico e che per avere una
corrente in entrata e'
necessario applicare una adeguata tensione ai
capi della resistenza
d'entrata del transistore.
Naturalmente qui stiamo parlando di correnti e
tensioni alternate relative
ai segnali, da non confondersi con le correnti e
tensioni continue relative
alle polarizzazioni, che si suppongono fisse e
alle quali le prime si
vengono a sommare.
Sicche' ragionando solo rispetto ai segnali, per uno
stadio amplificatore
del tipo di figura 2 vale lo schema equivalente di
figura 3 in cui non
appaiono le tensioni di alimentazione (che per i
segnali equivalgono a dei
cortocircuiti verso massa), ne' gli eventuali
condensatori di accoppiamento
(che anch'essi si comportano come cortocircuiti per i
segnali alternati).
In figura 3 il transistore e' schematizzato come si e'
detto nel modo piu'
semplice e cioe' come un amplificatore di corrente con
guadagno pari ad hFE
e con resistenza d'ingresso RIN, mentre si sono
trascurate le resistenze di
polarizzazione.
Il transistore e' comandato dalla tensione di
segnale VS tramite la
resistenza RS che rappresenta per esempio la
resistenza d'uscita dello
stadio precedente.
LA FIGURA 2 : il transistore con il segnetto
verticale al centro del
cerchietto e con la freccia che parte dal centro del
segnetto e rivolta in
basso con la freccia che tocca il cerchietto,indi
c'e' la RE alla cui
uscita in parallelo c'e' la REE e un condensatore
elettrolitico( col piu'
rivolto verso la RE) chiamato CE.
Il filo di base va in alto alla RB1, in basso alla RB2,
a sinistra col
CB (un condensatore) indi la RS.
Il generatore o segnale di entrata VS va verso
l'alto al RS e verso il
basso al RB2 REE CE e negativo batteria VCC.
La RB1 va alla RC e qui entra nel transistor come
collettore.
La RB1 va alla RC e quindi al piu' della batteria VCC.
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LA FIGURA 3 : Circuito equivalente semplificato di uno
stadio amplificatore
a transistore : Il generatore di segnale VS col piu'
in alto e il meno in
basso. In alto va al RS indi al RIN e va al negativo
sorgente VS
Il negativo VS va al piu' RC VC e ritorna sul piu' RC.
IC=hFEIb
Nel disegno vi e' un quadrettino tratteggiato
che comprende come
transistore la resistenza chiamata RIN e il ritorno
verso il piu' RC,
dove IC=hFEIb
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COME SI CALCOLA IL GUADAGNO :
Ebbene e' semplicissimo : basta calcolare la
corrente Ib che entra,
moltiplicarla per il guadagno in corrente e poi, per
ottenere la tensione
d'uscita, moltiplicarla per la resistenza di carico.
Scrivendo in formule tutto questo discorso si ha :
(1) Ib=VS/(RS+RIN)
(2) IC=hFE Ib = hFE Vs/RS+RIN
(3) VC=IC RC=VS RC hFE/(RS+RIN)
e il guadagno in tensione e' allora in definitiva :
(4) AV=VC/VS=hFE RC/RS+RIN
Se la resistenza del generatore RS e' molto maggiore
di quella d'entrata
del transistore RIN si ha che il guadagno di tensione
e' pari a hFE RC/RS.
Se si ha un amplificatore costituito da piu' stadi
uguali tra loro posti in
cascata si avra' ovviamente RC=RS e per ciascun
stadio il guadagno in
tensione e' pari esattamente al guadagno in corrente
del transistore.
Il guadagno totale di tutti i vari stadi e' dato ancora
dalla (4) in cui RC
e' il carico dell'ultimo stadio, RS e' sempre la
resistenza del generatore
e hFE pero' e' il guadagno in corrente complessivo,
pari al prodotto dei
guadagni di tutti gli stadi.
COME FARE PER AVERE UN GUADAGNO STABILE :
Tutte queste considerazioni e queste formulette sono
assai carine e anche
abbastanza utili in pratica, ma pongono subito in
rilievo il grande difetto
di questo tipo di amplificatori e cioe' la
fortissima dipendenza del
guadagno in tensione dal guadagno di corrente hFE, che
tra l'altro dipende
dalla temperatura.
Basta sostituire il transistore con un altro con
diverso hFE o basta che la
temperatura vari di una decina di gradi, se c'e'
piu' di uno stadio, per
avere una forte variazione di guadagno.
Se allora il guadagno aumenta, a parita' di segnale
d'ingresso, il segnale
d'uscita tende ad assumere una ampiezza che magari e'
addirittura maggiore
della tensione d'alimentazione e quindi si hanno
saturazioni e distorsioni;
se invece diminuisce, l'ampiezza d'uscita puo'
diventare del tutto
insufficiente.
Ma allora qual'e' la soluzione per evitare che il
guadagno di tensione
dell'amplificatore a transistori dipenda troppo dal
guadagno di corrente
dei vari stadi ?
I piu' navigati tra i lettori (ammesso che abbiano
avuto la pazienza di
arrivare sin qui) avranno gia' certamente pensato alla
controreazione.
Questa magica parola, evocatrice di oscillazioni pazze
negli amplificatori
e di robuste amplificazioni negli oscillatori,
potra' essere in futuro
l'argomento di una di queste note, ma per ora
lasciamola da parte, o meglio
ancora utilizziamola senza dirlo a nessuno.
La soluzione che stavamo cercando consiste nel fare
si che la resistenza
d'entrata del transistore non sia affatto piu' piccola
della resistenza del
generatore, ma sia invece il contrario.
Ricordiamo intanto che la resistenza d'entrata altro
non e' che la somma
della resistenza della regione di base rb, della
resistenza interna di
emittore re moltiplicata per il guadagno di
corrente e, infine, della
resistenza esterna di emettitore RE, se c'e' (o meglio
di quella parte che
non e' shuntata verso massa con un condensatore)
anch'essa moltiplicata per
hFE
si ha cioe' :
(5) RIN=rb+hFE(re+RE)
e sostituendo nella espressione del guadagno (4) si
ottiene
(6) AV=hFE
RC/RS+rb+hFE(re+RE)=RC/[RS+rb/hFE]+re+RE=RC/RE
(ripeto la (6) :
hFE RC RC RC
AV =---------------------- = ----------------- = -----
RS + rb + hFE(re + RE) RS + rb RE
------- + re + RE
hFE
(l'ultimo uguale si intende "pressapoco uguale", cioe'
il segno ha
sopra l'uguale una s rovesciata)
Questo risultato e' estremamente interessante perche'
mostra come lavorando
con una resistenza RE abbastanza elevata il
guadagno in tensione non
dipende piu' dal guadagno di corrente hFE ma solo
da un rapporto tra i
valori di due resistenze.
Ma siccome a questo mondo non si ha mai niente per
niente vediamo subito
che cosi facendo ci abbiamo rimesso nel guadagno in
tensione che e' assai
minore di quello di prima.
SCELTA DEL PUNTO DI LAVORO :
Se l'amplificatore e' per segnali deboli il problema
maggiore e' quello del
rumore. Occorre allora definire il punto di lavoro
ottimo come quello che
minimizza il rapporto segnale/rumore.
La tensione tra collettore ed emettitore e' bene
che sia relativamente
piccola e cioe' pari a uno o due volt, mentre la
corrente di polarizzazione
deve essere quella per cui la figura di rumore e'
minima in funzione sia
della banda di frequenza che si vogliono amplificare,
sia della impedenza
della sorgente.
In generale i buoni produttori di semiconduttori
forniscono dei grafici
concernenti la figura di rumore , in base ai quali
si sceglie appunto la
corrente di polarizzazione.
In uno stadio d'ingresso a basso rumore vanno poi
prese delle precauzioni
particolari nella scelta dei componenti, in modo che
non aggiungano rumore,
in particolare le resistenze e' bene che siano a strato
metallico.
Se l'amplificatore e' per segnali forti occorre per
prima cosa usare delle
tensioni di alimentazione abbastanza elevate in
modo da garantire la
massima escursione possibile alla tensione di
collettore e poi scegliere il
punto di lavoro ben centrato rispetto a questo
intervallo in modo da poter
amplificare segnali di ampiezza quanto maggiori e'
possibile senza che si
verifichino tagli e distorsioni.
In tutti i casi, pero', e' bene che il punto di
lavoro prescelto sia reso
stabile rispetto alla temperatura e se possibile
anche rispetto alle
sostituzioni, in modo da alterare il meno possibile
il buon funzionamento
dello stadio.
ESEMPIO DI PROGETTO DI UNO STADIO AMPLIFICATORE :
Vogliamo ora progettare uno stadio amplificatore a
transistore con guadagno
di tensione stabile e pari a 10 usando un
transistore con hFE=100 e con
resistenza di sorgente e di carico uguali e pari a 10
Kj.
Il circuito deve funzionare ancora in maniera
soddisfacente se il guadagno
di corrente e' 50.
La tensione di alimentazione disponibile e' pari a 12
volt.
Supponiamo di usare lo schema di figura 2 e per le
considerazioni su come
polarizzare il transistore rimandiamo il lettore
alla puntata precedente
del "circuitiere".
Per avere una buona stabilita' del punto di lavoro
senza dover ricorrere a
valori troppo bassi delle resistenze di
polarizzazione si puo' usare una
resistenza totale esterna di emettitore pari a 10 kj ;
cio' e' ragionevole
nel caso in cui non si abbiano particolari requisiti
sull'ampiezza della
tensione d'uscita, altrimenti sarebbe opportuno
scegliere un valore piu'
basso.
In queste condizioni, suddividendo le cadute di
tensione lungo il
transistore come imndicato in figura 4, la
tensione sull'emettitore e'
fissata a 4 volt e i restanti 8 volt sono a
disposizione per le variazioni
della tensione d'uscita.
FIGURA 4 : CADUTA DI TENSIONE IN UN TRANSISTORE
AMPLIFICATORE :
Al centro del cerchietto c'e' la lineeta verticale,
dove dal suo centro
sale in alto il collettore con la resistenza RC, mentre
in basso dal centro
della lineetta parte la freccia che bacia il
cerchietto, indi c'e' RE
poi si dirama a sinistra REE e a destra in
parallelo il condensatore
elettrolitico col piu' verso RE e meno a massa e
all'uscita REE
A destra di detto disegno c'e' una linea verticale che
indica con un tratto
V/3 la tensione ai capi di RC, V/3 la tensione fra
collettore ed RE,
V/3 la tensione fra freccetta e massa.
La tensione di collettore, essendo la corrente
d'emettitore praticamente
uguale a quella di collettore, varra' 8 volt in modo da
essere ben centrata.
La corrente che percorre il transistore vale 4 volt/ 10
kj = 0.4 mA.
La resistenza interna di emettitore vale allora re =
25/0.4 = 60 j
Per avere un guadagno di tensione stabile e che
dipende poco da hFE si
usera la formuletta AV = RC/RE ricavando RE = 1 kj
La resistenza totale di emettitore, che si era
scelta pari a 10 kj, va
spezzata in due (1 kj + 9 kj) e il punto intermedio va
shuntato a massa con
un grosso condensatore, in modo da avere un
cortocircuito per i segnali.
Pero' adesso va verificata la condizione di
applicabilita' della regoletta
che si e' usata per calcolare RE e cioe' si deve
vedere se la resistenza
d'entrata del transistore e' veramente molto
maggiore di quella della
sorgente oppure no.
La resistenza di entrata si ottiene dalla formula
(5) e, trascurando per
ora rb si ottengono 100 kj e 50 kj nei due
casi in cui hFE e'
rispettivamente pari a 100 e 50.
Tutti e due questi valori sono abbastanza maggiori
di 10 kj sicche' la
faccenda funziona.
In caso contrario si sarebbe dovuto concludere che il
valore prescelto del
guadagno era incompatibile con l'esigenza della
stabilita' e percio' o lo
si riduceva oppure si dovevano scegliere
transistori con guadagno piu'
elevato.
Togliamoci ora la soddisfazione di calcolare il
guadagno in tensione con la
formula esatta (6) supponendo rb = 100 j
Nei due casi in cui hFE e' pari a 100 e a 50 si ha
rispettivamente AV = 8.6
e 7.9, sicche' la variazione del guadagno e' assai
piccola.
Se per esempio il transistore fosse piu' di la' che di
qua e il guadagno in
corrente valesse 10 si avrebbe AV = 4.8
Per avere un guadagno pari esattamente a 10 in
almeno una delle due
condizioni si sarebbe dovuta usare nel progetto la
formula esatta anziche'
quella approssimativa tuttavia si fa sempre in
tempo ad aggiustare il
valore di RE fino ad avere esattamente il guadagno
desiderato.
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(fine)
De i3xty Luigi in paese
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