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.
- Polarizzazione: una piccola tensione costante tiene il transistor pronto (parzialmente acceso) così può seguire il segnale sia verso l'alto sia verso il basso.
- Condensatore di accoppiamento: lascia passare il segnale variabile da uno stadio al successivo ma blocca la tensione costante di polarizzazione. Per questo il guadagno cala alle frequenze molto basse.
- Stadio di tensione e poi stadio di potenza: i primi stadi aumentano la tensione; l'ultimo stadio (l'amplificatore di potenza) fornisce abbastanza corrente per muovere un altoparlante.
- Push-pull: due transistor si dividono il lavoro; uno spinge la metà positiva dell'onda e l'altro tira la metà negativa. Spreca meno calore di un solo transistor che lavora sempre (classe A).
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.
- Amplificatore RF: sta subito dopo l'antenna e potenzia una stazione molto debole senza aggiungere troppo rumore.
- Amplificatore IF: in un ricevitore radio, potenzia il segnale dopo che è stato spostato su una frequenza intermedia fissa.
- Amplificatore sintonizzato: usa una bobina e un condensatore (un circuito LC) per potenziare solo una banda stretta di frequenze attorno a una stazione e ignorare le altre.
- Amplificatore di potenza: in un trasmettitore, dà la grande potenza necessaria all'antenna.
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
- Guadagno di tensione Av = Vout / Vin
- Guadagno in dB = 20 log10(Vout / Vin)
- Guadagno di potenza in dB = 10 log10(Pout / Pin)
- Stadi in cascata: Av = Av1 × Av2; dB = dB1 + dB2
- Banda passante BW = f(alta) − f(bassa)
- Uscita massima ≈ tensione di alimentazione (oltre, c'è clipping)
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
- Pensare che l'amplificatore crei energia. Usa solo l'energia dell'alimentatore, modellata dall'ingresso.
- Sommare i guadagni quando gli stadi sono collegati. I rapporti si moltiplicano; solo i decibel si sommano.
- Usare 10 log invece di 20 log per il guadagno di tensione. Usa 20 log per la tensione e 10 log per la potenza.
- Dimenticare le unità: 20 mV vanno convertiti in 0.02 V prima di dividere.