L'amplificazione

fig.1
fig.1

Gli elementi non lineari a tre o più morsetti  sono elementi fondamentali per il procedimento elettronico di amplificazione che altro non è che la manipolazione di un segnale in ingresso al fine di aumentarne in uscita l'ampiezza senza alterarne la forma.

Lo schema base di un amplificatore è rappresentato in fig.1 ; esso risulta formato da un blocco con due morsetti di input fra i quali viene introdotta la grandezza da amplificare (tensione o corrente), di due morsetti ai quali è applicata la tensione continua del generatore che fornisce la potenza necessaria per l'amplificazione e da due morsetti di output da cui viene prelevata la grandezza d'ingresso amplificata.

Poichè un componente non lineare di solito ha tre morsetti  uno di questi va connesso alla massa comune; a seconda dell'elettrodo che è collegato a massa il dispositivo modifica il suo comportamento.

fig.2
fig.2

 

La fig.2 rappresenta un triodo nelle tre configurazioini possibili:

La fig.2 a) mostra un triodo in configurazione a catodo comune.

La fig.2 b) mostra un triodo in configurazione a griglia comune.

La fig.3 c) mostra un triodo in configurazione ad anodo comune.

 

fig.3
fig.3

Affinchè il segnale in uscita amplificato abbia la stessa forma del segnale in ingresso occorre che l'elemento non lineare (triodo) funzioni in una zona lineare della sua caratteristica come si nota in fig.3.

in fig.3 a) e  fig.3  c) la griglia ha una tensione di polarizzazione (Vga ; Vgc) tali che la valvola, a riposo (senza segnale), lavora al centro del tratto lineare della sua caratteristica; in fig.3 b) la polarizzazione della griglia Vgb è tale che la valvola, a riposo (senza segnale),  lavora in un tratto non lineare della caratteristica .

Quando siamo in presenza del segnale si osserva quanto segue:

Nel caso a), poichè  la sua  ampiezza (del segnale in arrivo) è contenuta entro la zona rettilinea della caratteristica del triodo, la forma d'onda della corrente Ia è uguale a quella della tensione in arrivo e così pure sarà la forma dell'onda amplificata.

Nel caso b),  l'ampiezza dell'onda in arrivo è limitata ma la polarizzazione Vgb, corrispondente alla zona non rettilinea della caratteristica, fa in modo che la forma dell'onda della corrente sia  diversa da quella della tensione ; in questo caso non si ha l'amplificazione desiderata ma la rivelazione del segnale.

Nel caso c), sebbene la polarizzazione di griglia Vgc corrisponda al  centro della parte rettilinea della caratteristica l'ampiezza del segnale in arrivo è troppo alta ed è tale da determinare una forma d'onda della corrente abbondantemente diversa da quella della tensione in arrivo.

Insomma, condizione necessaria per ottenere l'amplificazione, per poter cioè manipolare il segnale in arrivo aumentandone l'ampiezza senza alterarne la forma, è una  polarizzazione  corretta del  triodo; tale condizione non è però sufficiente, perchè sia anche sufficiente occorre che il segnale non sia troppo ampio.

Occorre cioè studiare il triodo in regime statico, cioè quando esso è sotto tensione continua; gli effetti procurati dal segnale alternato in arrivo sono oggetto dello studio dinamico del sistema.

La sovrapposizione degli effetti determinati dai due regimi permetterà il completamento dello studio del sistema.

In conclusione lo studio di un elemento non lineare amplificatore si compone di due parti:

studio statico e studio dinamico.

Le differenze fra i due regimi sono le seguenti:

I due regimi, statico e dinamico differiscono per il fatto che nel primo le capacità costituiscono dei circuiti aperti, le induttanze dei corto circuiti ed i generatori di corrente o tensione continua non possono essere trascurati.

Nel secondo le capacità possono essere considerate dei corto circuiti (almeno entro certe frequenze) ed i generatori di tensione o corrente continua sono anch'essi da considerare dei corto circuiti in quanto non influiscono sulla situazione variabile.

Come già accennato il circuito reale risulta dalla sovrapposizione degli effetti dei due regimi e lo studio separato dei due è reso possibile dall'ipotesi di linearità di funzionamento .

 

regime statico

Da quanto finora detto si evince che esistono, per ogni elemento non lineare diversi valori di tensione e di corrente che consentono il funzionamento del dispositivo.

Pertanto nelle utilizzazioni bisogna fissare un punto di lavoro a riposo, ovvero fissare una copia di tensione e corrente ottimali per permettere al dispositivo di funzionare; occorre cioè formare una rete di polarizzazione costituita da elementi attivi e passivi (generatori e resistenze) che fissino le condizioni di lavoro a ripooso.

polarizzazione del triodo

verifica

fig.1
fig.1

Con riferimento alla fig.1 , note Vcc, Rc, Vgk nella procedura di verifica occorre determinare Vak ed  Ia.

Le equazioni disponibili sono:

Vcc= Vak + Rc Ia;

Ia = f ( Vak ; Vgk ).

La prima equazione rappresenta una retta, la retta di carico. Iaè  la caratteristica del triodo, rappresentata/e  in fig.2.

Le curve caratteristiche del triodo sono disponibili, la retta va determinata trovando le intersezioni di essa coon gli assi Ia, Vak.

fig.2
fig.2

Analizzando la prima equazione ci rendiamo conto che per Ia= 0 Vcc=Vak;  in fig.2 è pari a 300V.

Per  Vak =0  Ia risulta uguale a Vcc/Rc.

i valori di Vcc e di Ia corrispondono all'intersezione della retta di carico con l'asse delle ascisse e delle ordinare rispettivamente.

La retta di carico intercetta le varie caratteristiche di fig.2 , l'intersezione con la curva caratteristica corrispondente al valore di Vgk  fornito dal generatore del circuito di polarizzazione di griglia rappresenta il punto di lavoro.

 

progetto

Si conosce il punto di lavoro cioè i valori di  Vak0, I0a e si devono determinare Rc, Rg e  Vgk.

per avere un' unica retta di carico si deve evidentemente conoscere anche Vcc.

In queste condizioni è evidente che la retta di carico passi nel punto di lavoro, conosciuto, e nel punto Vak= Vcc.

La retta di carico intercetta l'asse delle ordinate nel punto Ia=Vcc/Rc.

Nel grafico leggo il valore di Ia e ciò mi permette, conoscendo Vcc, di ricavare Rc.

fig.3
fig.3

Il sistema di polarizzazione visto fa uso di due generatori, uno per l'anodica e l'altro per la polarizzazione negativa di griglia.

E' possibile eliminare il secondo generatore e provvedere alla polarizzazione della griglia come mostrato in fig.3.

Tale sistema, chiamato polarizzazione automatica di griglia, funziona nel seguente modo:

La resistenza Rk è percorsa dalla corrente Ia che determina un caduta di tensione ai capi di Rk pari a Ia Rk.

Il catodo avrà pertanto una tensione positiva rispetto a massa pari proprio a IaRk.

La griglia, nella quale non circola corrente, è messa a massa tramite la resistenza Rg (0,5 ; 1MΩ) avrà pertanto, rispetto al catodo, una tensione negativa pari a Ia Rk.

questa è proprio la tensione di polarizzazione automatica di griglia.

la maggior parte degli apparati utilizza tale tipo di polarizzazione .

Rivediamo ora la verifica ed il progetto della polarizzazione del triodo utilizzando la polarizzazione automatica di griglia.

 

verifica con polarizzazione automatica di griglia

Con riferimento alla fig.3 posso scrivere:

Vgk  = Ia Rk;

Vcc = Vak + (Rc + Rk) Ia;

 Ia = f ( Vak ; Vgk).

Le caratterisctiche anodiche rappresentate dalla terza equazione vengono intercettate dalla retta di carico rappresentata dalla seconda equazione .

Si osserva :

Per determinare il punto di lavoro si procede per tentativi nel seguente modo:

Si prende un punto di intersezione della retta di carico con una curva anodica , dal grafico si ricava il valore della corrente corispondente , si moltiplica tale valore per Rk, termine noto, e si ottiene un valore di  Vgk che deve corrispondere a quello della curva anodica scelta,se non c'è corrispondenza si continua con tale procedimento finchè non la si trova .

progetto con polarizzazione automatica di griglia

Nel progetto è noto il punto di lavoro e cioè: Vak0, Ia0, Vgk0, Vcc ; si debbono determinare Rc ed Rk.

Si traccia la retta di carico passante per Vcc ed il punto di lavoro, essa intercetta l'asse delle correnti nel punto I=Vcc/ (Rc + Rk) ;

 posso inoltre scrivere Vgk0= Rk Ia0.

 ho quindi due equazioni:

I=Vcc/ (Rc + Rk)

Vgk0= Rk Ia0;

 sono due equazioni con due incognite, Rc ed Rk, delle quali si possono , univocamente determinare il valori.

 

regime dinamico

In regime dinamico si esamina il comportamento del circuito soggetto alle componenti variabili di corrente e tensione dovute all'introduzione del segnale.

Nello studio in regime dinamico si considera di trovarsi in corrispondenza del punto di riposo determinato a seguito dello studio in regime statico.

La linearità del circuito in regime statico è certamente rispettata, perchè venga rispettata anche in quello dinamico occorre che il sistema operi in una zona ristretta rettilinea delle caratteristiche occorre inoltre che l'elemento non lineare venga schemattizzato mediante un insieme di elementi lineari che ne descrivano il comportamento.

Per eseguire lo studio in regime dinamico occorre insomma che il circuito reale venga sostituito da un circuito equivalente.

Occorre inoltre definire le seguenti grandezze:

  1. Guadagno di tensione: Si indica col simbolo A e rappresenta il rapporto fra la tensione di segnale presente ai morsetti d'uscita e la tensione introdotta dal generatore in ingresso.
  2. Resistenza d'ingresso: E' il rapporto fra la tensione ai morsetti di ingresso dell'amplificatore e la corrente da esso assorbita.
  3. Resistenza d'uscita: E' la resistenza che si vede dai morsetti del carico (a morsetti aperti) con i generatori interni del circuito dinamico, cortocircuitati, se sono di tensione, e aperti, se sono di corrente.

 

fig.1
fig.1

Nelle figg.1,2 e 3  sono riportati dei circuiti reali ed i corrispondenti circuiti equivalenti alle variazioni (così sono chiamati).

In fig.1 è mostrato un triodo in configurazione ad anodo comune.

il segnale è applicato fra griglia e massa, l'uscita è prelevata fra il catodo e massa .

L'anodo è comune all'entrata ed all'uscita infatti rispetto al segnale è come se fosse collegato a massa. 

il circuito ( serie ) di griglia è costituito dal generatore di segnali dalla sua resistenza interna in serie e dalla resistenza di griglia ; in tale circuito non circola corrente.

il circuito di placca ( serie ) è costituito dal generatore μVgk , dalla resistenza interna Ra e dalla resistenza di catodo Rk, in tale circuito circola la corrente Ia.

Per lo studio dinamico di tale circuito  vai a " anodo comune ".

 

 

fig.2
fig.2

In fig.2 è mostrato un triodo in configurazione a catodo comune.

il segnale è applicato fra griglia e massa, l'uscita è prelevata fra l'anodo e massa .

Il catodo  è comune all'entrata ed all'uscita .

Il circuito ( serie ) di griglia è costituito dal generatore di segnali dalla sua resistenza interna in serie e dalla resistenza di griglia ; in tale circuito non circola corrente.

il circuito di placca ( serie ) è costituito dal generatore μVgk , dalla resistenza interna Ra e dalla resistenza di carico Rc//Ru , in tale circuito circola la corrente Ia.

la resistenza Rk non ha nessuna influenza in quanto è baypassata dal condensatore C2 che manda a massa il segnale.

Per lo studio dinamico di tale circuito vai a " catodo comune ".

 

fig.3
fig.3

In fig.3 è mostrato un triodo in configurazione a griglia comune.

il segnale è applicato fra catodo  e massa, l'uscita è  fra l'anodo e massa .

La griglia  è comune all'entrata ed all'uscita  infatti essa è collegata a massa.

Il circuito ( serie ) è costituito dal generatore di segnali, dalla sua resistenza interna, dal generatore μVgk  , dalla sua resistenza interna e dalla resistenza di carico.

In tale circuito circola la corrente Ia.

Per lo studio dinamico di tale circuito vai a " griglia comune ".