Amplificatori in corrente alternata

Amplificatore in corrente alternata realizzato con microcircuiti

Nella lezione precedente abbiamo preso in esame il circuito di un microamplificatore del quale abbiamo evidenziato un guadagno libero elevato, sia per le tensioni continue che per i segnali alternati; questa caratteristica non sempre si adatta a qualsiasi valore di guadagno determinato dalla rete di controreazione.

Nel circuito di amplificazione di figura 1 la tensione di fuori zero d’ingresso, se non compensata,

figura 1

compare amplificata all’uscita, questa tensione, se l’amplificatore è destinato a lavorare con segnali in corrente continua, non è tollerabile e deve essere eliminata o mediante compensazione o mediante la scelta di microcircuiti a bassa tensione di fuori zero.

Se invece l’amplificatore è destinato a lavorare soltanto con segnali alternati si possono creare due circuiti di controreazione separati, uno per stabilizzare l’amplificazione in corrente continua a basso guadagno, l’altro per assegnare al circuito il voluto guadagno in corrente alternata.

Questa soluzione si realizza semplicemente aggiungendo in serie alla resistenza $R2$ dello schema di figura 1 un adatto condensatore di separazione tra corrente continua e corrente alternata ( figura 2): questa configurazione è detta “non invertente” essendo il segnale d’uscita in fase con il segnale d’ingresso.

figura 2

Nel nuovo circuito osserviamo che il resistore $R1$ , grazie al blocco di $C1,$retrocede all’ingresso tutta la tensione continua d’uscita creando un anello di controreazione in c.c. a guadagno:

$Gcc=1/\{[1/A]+1\}$

che, anche per qualsiasi valore di $A$ min. dei microamplificatori in commercio, può essere scritta

$Gcc=1$

per cui all’uscita si troverà soltanto la tensione di fuori zero d’ingresso non amplificata.

Per la corrente alternata, che è soggetta all’anello di controreazione composto dal partitore $R1eR2+Xc1$, la formula per il calcolo del guadagno sarà invece:

$Gca=1/\{[1/A]+1/[(R1+R2)/R2]\}$

per il caso in cui si abbia $Xc1<<R2.$

Esempio

Un esempio numerico è utile per comprendere meglio quanto esposto:

Sia da dimensionare un amplificatore in corrente alternata avente le seguenti caratteristiche:

Frequenza di lavoro = $500Hz$.

Configurazione non invertente.

Guadagno in c.a. compreso tra $Gmax=316$ volte $(50dB)$ e $Gmin=287$ volte $(49dB)$.

Fuori zero massimo d’uscita $<10mV$.

Sulla base dello schema elettrico di figura 2 procediamo come segue:

Esame delle tolleranze sul guadagno

Essendo:

$Gmin=286$ volte

$Gmax=316$ volte

la differenza percentuale è $1-(286/316)=0.094$ pari a circa il $10\mathrm{\%}$

Determinazione del rapporto G/A min

Dal grafico di figura 3 già oggetto di studio nella precedente lezione abbiamo:

figura 3

ad una percentuale del 10% corrisponde un rapporto:

$G/Amin=0.35$

Calcolo di Amin del circuito integrato

Per ottenere un guadagno non inferiore a $Gmin=286$il valore di $Amin.$ dovrà essere

$Amin=G/0.35=316/0.35=902$

Calcolo della rete di controreazione in c.a

Assumendo per $R1$ il valore di $47000\mathrm{\Omega }$, tale da non rappresentare un carico per l’uscita del microamplificatore, il valore di $R2$ si calcola come segue:

$R2=R1/(G-1)=47000\mathrm{\Omega }/(316-1)=149\mathrm{\Omega }$ (da arrotondare a $150\mathrm{\Omega }$)

Il condensatore $C1$ dovrà avere una reattanza $Xc1<<R2$, ad esempio $Xc1=R2/100$ da cui

$Xc1=1.5\mathrm{\Omega }$

e di conseguenza una capacità del valore di

$C1=1/2\cdot \pi \cdot f\cdot Xc1=1/6.28\cdot 500Hz\cdot 1.5\mathrm{\Omega }=212\mu F$ (da arrotondare a $220\mu F$ )

Osservazione sulla rete di controreazione in c.c

La rete di controreazione in corrente continua, rappresentata da $R1$, ha, come illustrato all’inizio del paragrafo, un guadagno unitario; pertanto la tensione di fuori zero in uscita sarà dell’ordine di quella d’ingresso che, con $R3$ non eccessivamente elevata, potrà essere contenuta entro i $10mV$ richiesti selezionando un adatto circuito integrato.

Osservazione sulla rete di controreazione in c.a

Nel caso in cui si voglia, per ragioni particolari di cui ci occuperemo, porre $Xc1$ dell’ordine di grandezza di $R2$ la formula per il calcolo del guadagno in corrente alternata sarà :

$Gca=1/\{[1/A]+1/[(R1+Z)/Z]\}$

dove $Z=\sqrt{(R{2}^2+Xc{1}^2)}$

L’amplificatore in corrente alternata: configurazione invertente

Un secondo circuito d’amplificazione in corrente alternata può essere realizzato con un circuito integrato utilizzando l’ingresso invertente –i; questo circuito è mostrato in figura 4:

figura 4

Questa soluzione si realizza ponendo l'ingresso del microamplificatore su -i aggiungendo, in serie alla resistenza $R2$ dello schema di figura 1, un adatto condensatore di separazione tra corrente continua e corrente alternata; la configurazione è detta “invertente” essendo il segnale d’uscita in opposizione di fase con il segnale d’ingresso.

Per quanto attiene al comportamento dei fuori zero d’ingresso al circuito di figura 4 si applicano gli identici ragionamenti fatti per il circuito di figura 2.

Per la corrente alternata, che è soggetta all’anello di controreazione composto $R1$ ed $R2+Xc1$ , la formula per il calcolo del guadagno è invece:

$Gca=1/[(1/A)+1/(R1/R2)]$

per il caso in cui si abbia $Xc1<<R2$

Esempio numerico di progetto

Sia da dimensionare un amplificatore in corrente alternata avente le seguenti caratteristiche:

Configurazione invertente.

Frequenza di lavoro = $15000Hz$.

Guadagno in c.a. compreso tra $Gmax=1000$ volte $(60dB)$ e $Gmin=800$ volte $(58dB)$.

Fuori zero massimo d’uscita $.<22mV$.

Sulla base dello schema elettrico di figura 4 procediamo come segue:

Esame delle tolleranze sul guadagno

Essendo

$Gmin=800$volte

$Gmax=1000$ volte

la differenza percentuale è

$1-(800/1000)=0.2$ pari al $20\mathrm{\%}$.

Determinazione del rapporto G/A min

Dal grafico di figura 3, ad una percentuale del $20\mathrm{\%}$ corrisponde un rapporto

$G/Amin=0.24$

Calcolo di Amin del circuito integrato

Per ottenere un guadagno non inferiore a $Gmin=800$ il valore di $Amin.$ dovrà essere

$Amin=G/0.24=800/0.24=3333$

Calcolo della rete di controreazione in c.a

Assumendo per $R1$ il valore di $220000\mathrm{\Omega }$ , tale da non rappresentare un carico per l’uscita del microamplificatore, il valore di$R2$ si calcola come segue:

$R2=R1/(G)=220000\mathrm{\Omega }/(3333)=66\mathrm{\Omega }$ (da arrotondare a $68\mathrm{\Omega })$

Il condensatore $C1$ dovrà avere una reattanza $Xc1<<R2,$ ad esempio $Xc1=R2/100$ da cui

$Xc1=0.68\mathrm{\Omega }$

e di conseguenza una capacità del valore di

$C1=1/2\cdot \pi \cdot f\cdot Xc1=1/6.28\cdot 15000Hz\cdot 0.68\mathrm{\Omega }=15.6\mu F$ (da arrotondare a $22\mu F$)

Osservazione sulla rete di controreazione in c.c

La rete di controreazione in corrente continua, rappresentata da $R1$, ha un guadagno unitario; pertanto la tensione di fuori zero in uscita sarà dell’ordine di quella d’ingresso che, con $R3$ non eccessivamente elevata, potrà essere contenuta entro i $22mV$ richiesti selezionando un adatto circuito integrato.