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Circuiti amplificatori

Un amplificatore rende più grande un segnale piccolo usando l'energia di un alimentatore. Guadagno di tensione = Vout / Vin; in decibel, guadagno = 20 log10(Vout / Vin). Gli amplificatori a bassa frequenza (audio) potenziano i segnali del campo sonoro. Gli amplificatori ad alta frequenza (radio) potenziano segnali da migliaia a milioni di hertz, spesso sintonizzati su una sola stazione. Ogni amplificatore ha una banda passante e un limite imposto dall'alimentazione.

🎬 Storia passo dopo passo

  1. Un'onda piccola e ondulata (blu) è l'ingresso. Potrebbe essere il debole segnale di un microfono. L'amplificatore è spento, quindi non esce nulla.
  2. Accendi l'amplificatore. L'onda rossa di uscita ha la stessa forma, ma è 3 volte più alta. L'amplificatore l'ha fatto usando l'energia della sua batteria (l'alimentazione).
  3. Porta il guadagno da 3 a 6. L'onda rossa diventa più alta. Il guadagno è semplicemente la dimensione dell'uscita divisa per quella dell'ingresso.
  4. Porta il guadagno a 12. L'onda rossa tocca le linee arancioni (i limiti dell'alimentazione) e le sue cime vengono tagliate piatte. Questo si chiama clipping. Rende il suono aspro.
  5. Ora aumenta la frequenza, cioè le oscillazioni al secondo. A frequenze molto alte l'uscita torna a farsi più piccola. Ogni amplificatore ha un limite di velocità. Questa è la sua banda passante.
  6. Gioca liberamente: usa entrambi i cursori. Trova il guadagno che causa il clipping e le frequenze a cui l'uscita si riduce. Sia le frequenze basse sia quelle alte perdono guadagno.

Suggerimento: trascina la scena 3D per ruotarla. Usa due dita per zoomare.

🤔 Dubbi comuni, chiariti

L'amplificatore crea nuova energia?

No. La potenza in più arriva dall'alimentazione. L'ingresso controlla solo quanta ne va all'uscita. Nota che l'amplificatore ha bisogno della sua alimentazione per funzionare.

Perché l'uscita ha la stessa forma dell'ingresso?

Un buon amplificatore cambia solo la dimensione, non la forma. Confronta le onde blu e rossa: stesse ondulazioni, altezza diversa.

Che cos'è esattamente il guadagno?

Il guadagno è la dimensione dell'uscita divisa per quella dell'ingresso. Quando porti il guadagno da 3 a 6, l'onda rossa diventa alta il doppio.

Perché il suono diventa aspro quando alzo troppo il volume?

L'uscita raggiunge il limite dell'alimentazione e le cime dell'onda vengono tagliate piatte. Questa nuova forma piatta aggiunge suoni indesiderati.

Perché l'amplificatore dà meno uscita a frequenze molto alte?

Minuscoli condensatori nascosti nei componenti disperdono le oscillazioni velocissime. Alza la frequenza e guarda l'onda rossa rimpicciolirsi.

Perché un amplificatore radio è diverso da uno audio?

Un amplificatore radio lavora a frequenze molto più alte, quindi servono componenti veloci e spesso un circuito sintonizzato per scegliere una sola stazione. Muovi il cursore della frequenza per vedere come il guadagno dipende dalla frequenza.

Che cosa fa un amplificatore

Un segnale è una tensione che cambia nel tempo e porta un'informazione, come un suono o un messaggio radio. Molti segnali sono molto deboli. Un amplificatore prende un segnale debole e ne produce una copia più forte.

La potenza in più non compare dal nulla. L'amplificatore la prende da un alimentatore (una batteria o un adattatore) e usa il segnale d'ingresso per controllare quanta di questa potenza arriva all'uscita.

La parte principale all'interno è di solito un transistor (un piccolo componente simile a un interruttore, che una corrente minuscola può controllare) oppure un chip pieno di transistor.

Guadagno e decibel

Il guadagno di tensione dice quante volte l'uscita è più grande: Av = Vout / Vin. Non ha unità di misura perché è un rapporto.

Gli ingegneri usano spesso i decibel (dB): guadagno in dB = 20 × log10(Vout / Vin). Un guadagno di 10 vale 20 dB. Un guadagno di 100 vale 40 dB. Un guadagno di 1000 vale 60 dB. Ogni 20 dB in più significano un guadagno 10 volte maggiore.

Quando due stadi di amplificazione sono collegati uno dopo l'altro, i guadagni si moltiplicano, mentre i valori in decibel si sommano semplicemente.

Guadagno di potenza = Pout / Pin, e in dB è 10 × log10(Pout / Pin).

Amplificatori a bassa frequenza (audio)

Gli amplificatori a bassa frequenza lavorano su segnali da pochi hertz fino a circa 20 kHz, il campo dell'udito umano. Li trovi nei lettori musicali, nelle radio, negli impianti di diffusione sonora e nell'ultimo stadio di un televisore.

Risposta in frequenza e banda passante

Un amplificatore non dà lo stesso guadagno a tutte le frequenze. Il grafico del guadagno in funzione della frequenza si chiama risposta in frequenza. Sale al centro e scende alle due estremità.

I due punti in cui il guadagno è sceso a circa il 70% (0.707) del valore centrale, cioè 3 dB in meno, sono le frequenze di taglio. La distanza tra di esse è la banda passante: BW = falta − fbassa.

L'estremità bassa cala a causa dei condensatori di accoppiamento. L'estremità alta cala a causa di minuscole capacità parassite dentro il transistor e nei collegamenti, che disperdono le oscillazioni veloci.

Amplificatori ad alta frequenza (radio)

Gli amplificatori ad alta frequenza lavorano sui segnali radio, da centinaia di kilohertz a molti gigahertz. Servono componenti che restino veloci e collegamenti cortissimi, perché la capacità parassita conta di più quando le oscillazioni sono rapide.

In un amplificatore a banda larga, il prodotto guadagno × banda passante è più o meno costante: se chiedi più guadagno, ottieni meno banda passante.

Limiti: clipping, rumore e distorsione

L'uscita non può mai superare la tensione di alimentazione. Se l'ingresso è troppo grande o il guadagno troppo alto, le cime dell'onda vengono tagliate piatte. Questo è il clipping, un tipo di distorsione. Aggiunge suoni nuovi e indesiderati.

Il rumore è un fruscio casuale aggiunto dai componenti. Un amplificatore potenzia anche il rumore, quindi il primo stadio deve essere a basso rumore.

La reazione negativa (riportare un po' dell'uscita all'ingresso per ridurlo) abbassa il guadagno ma lo rende più stabile e più pulito.

Prova tu

Nella scena 3D, imposta il guadagno a 12 e guarda l'uscita. Calcola quanti volt dovrebbe essere (0.5 V × 12 = 6 V). Il limite dell'alimentazione è 3.5 V, quindi c'è clipping. Ora abbassa il guadagno finché il clipping sparisce. A casa, collega gli auricolari a un telefono e ascolta musica a volume altissimo: il ronzio aspro che puoi sentire è il clipping nell'amplificatore del telefono.

Formule e definizioni chiave

Esempi svolti

1. Un amplificatore trasforma un ingresso di 20 mV in un'uscita di 1 V. Trova il guadagno di tensione.

Converti 20 mV = 0.02 V. Av = 1 / 0.02 = 50.

2. Esprimi il guadagno di 50 in decibel.

dB = 20 log10(50) = 20 × 1.699 ≈ 34 dB.

3. Un microfono dà 5 mV. Un amplificatore a due stadi ha guadagni di 20 e 40. Quanto vale l'uscita?

Guadagno totale = 20 × 40 = 800. Uscita = 5 mV × 800 = 4000 mV = 4 V.

4. Lo stadio 1 ha 20 dB di guadagno e lo stadio 2 ha 26 dB. Quanto vale il guadagno totale in dB e come rapporto?

I dB si sommano: 20 + 26 = 46 dB. Rapporto: 20 dB sono 10 volte e 26 dB sono circa 20 volte, quindi il totale è circa 200.

5. Un amplificatore radio sintonizzato ha frequenze di taglio di 455 kHz e 465 kHz. Qual è la sua banda passante?

BW = 465 − 455 = 10 kHz.

6. Un amplificatore con guadagno 30 e alimentazione ±9 V riceve un ingresso di picco di 0.5 V. Descrivi che cosa succede ai picchi dell'uscita.

Il picco ideale dell'uscita è 0.5 × 30 = 15 V. Il limite dell'alimentazione è circa 9 V, quindi l'onda viene tagliata piatta a 9 V (sia in alto sia in basso). È distorta.

7. Un amplificatore per altoparlante riceve 0.2 W e ne restituisce 20 W. Trova il guadagno di potenza in dB.

Rapporto = 20 / 0.2 = 100. dB = 10 log10(100) = 20 dB.

Errori comuni

Quiz di allenamento

1. Un amplificatore dà 2 V in uscita per 0.1 V in ingresso. Il suo guadagno di tensione è:
2. Un guadagno di tensione di 100 corrisponde a quanti decibel?
3. Il clipping avviene quando:
4. Quale amplificatore è sintonizzato su una sola stazione radio con una bobina e un condensatore?
5. La banda passante è:

Esercizi: rispondi da solo

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Domande frequenti

Qual è la differenza tra un amplificatore a bassa frequenza e uno ad alta frequenza?

Un amplificatore a bassa frequenza (audio) lavora su segnali del campo sonoro fino a circa 20 kHz. Un amplificatore ad alta frequenza (radio) lavora su segnali molto più veloci, spesso sintonizzati su una banda stretta, e deve gestire la capacità parassita.

Perché il guadagno cala alle alte frequenze?

Minuscole capacità parassite nel transistor e nei fili disperdono a massa i segnali veloci, così ne arriva meno all'uscita.

Che cosa significa "3 dB in meno"?

Il guadagno è sceso a circa il 70.7% del valore centrale. Quel punto serve a segnare la frequenza di taglio.

Dove si studia

Japan高校(専門学科)1〜3年Electronic Circuits

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