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I3XTY > TUTTI 04.06.09 22:26l 270 Lines 14402 Bytes #999 (0) @ ITA
BID : 40233_I3XTY
Read: GUEST IV3JER IZ6WQP
Subj: MSG n. 10 di I3ZJV
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Date: gio, 04 giu 2009 23:22:01 LT
From: I3XTY (Luigi)
To: TUTTI@ITA
Subject: MSG n. 10 di I3ZJV
Inviato da: I3XTY@I3XTY.TV.IVEN.ITA.EU
From: I3ZJV@I3XTY.TV.IVEN.ITA.EU
To : TUTTI@ITA
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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)
73 a tutti de Luigi.
li, gio 04 giugno 2009 23:20 LT (+2.00 UTC)
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