Amplificatore ad emettitore comune

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Testo

CURVA DI RISPOSTA DI UN AMPLIFICATORE AD EMETTITORE COMUNE
SCHEMA DI PRINCIPIO DELL’AMPLIFICATORE
ELENCO COMPONENTI
Generatore di segnale, alimentatore (12 V), amplificatore (BJT 2N3904 ad emettitore comune), multimetro (voltmetro – tensione in ingresso all’amplificatore), multimetro (voltmetro – tensione in uscita all’amplificatore), misuratore di fase, oscilloscopio, condensatore (5000 pF), cavi e connettori di collegamento.
RELAZIONE TECNICA
Scopo di questa esperienza è il rilievo della curva di risposta in frequenza di un amplificatore ad uno stadio, utilizzando un BJT 2N3904 a emettitore comune, attraverso i valori ricavati dalle misurazioni effettuate sul circuito in esame.
Un amplificatore di segnale altro non è che un dispositivo mediante il quale un segnale “debole” può esser modificato in ampiezza per rendere la sua elaborazione semplice ed attendibile. Caratteristica fondamentale per il buon funzionamento di un amplificatore è la linearità: un amplificatore lineare è un dispositivo elettronico dove a variazioni del segnale in ingresso corrispondono variazioni proporzionali del segnale in uscita, senza l’introduzione o l’alterazione delle informazioni contenute nel segnale (distorsioni). Il segnale di uscita sarà quindi un’esatta replica di quello in ingresso, con, però, una diversa ampiezza È così possibile esprimere quanto detto con la relazione:

Esistono due differenti metodi di analisi per determinare le caratteristiche di risposta degli amplificatori: l’analisi nel dominio della frequenza, mediante segnali sinusoidali, e l’analisi nel dominio del tempo, mediante segnali a gradino.
Nel nostro caso viene utilizzato il metodo dell’analisi nel dominio della frequenza, grazie al quale si determinano le caratteristiche complessive dell’ampiezza e della fase del segnale di uscita di un amplificatore al variare della frequenza del segnale sinusoidale in ingresso. Osservando lo schema dell’amplificatore ad emettitore comune (detto anche amplificatore con emettitore a massa), possiamo affermare che i condensatori Ci e Co sono inseriti per bloccare le componenti continue ed unire la sorgente di segnale ed il carico del BJT; il condensatore CE in parallelo alla resistenza di emettitore è detto condensatore di fuga o di by-pass: esso cortocircuita a massa (da qui il nome di amplificatore ad emettitore comune) le componenti alternate e quindi consente amplificazioni più elevate rispetto al caso in cui non è presente.
Sulla base di queste conoscenze, siamo passati ad analizzare sperimentalmente il funzionamento dell’amplificatore, costituito quindi da un BJT. L’amplificatore viene alimentato con una tensione di 12V; in ingresso ad esso troviamo il segnale sinusoidale opportunamente creato da un generatore di segnale, di cui andiamo a variare la frequenza per analizzare la risposta dell’amplificatore; un voltmetro indica invece la tensione del segnale in ingresso, che nel nostro caso viene fissata a 5 mV. In uscita vi è un altro volmetro che indica il valore della tensione del segnale amplificato, e tra ingresso ed uscita vi è il misuratore di fase, che rileva lo sfasamento tra il segnale di ingresso e quello di uscita dell’amplificatore.
Inizialmente è stato mostrato sperimentalmente, mediante l’uso di un oscilloscopio, lo sfasamento tra il segnale di ingresso e quello di uscita nel caso in cui viene generato un segnale di 1 KHz: i due segnali sono in opposizione di fase. È chiaro, quindi, che con frequenze differenti questo sfasamento varia: osservando infatti la tabella notiamo che all’aumentare della frequenza del segnale in ingresso lo sfasamento tra i due segnali va sempre più diminuendo, fino a diventare negativo. Si osservi inoltre che lo sfasamento è pressoché nullo tra le frequenze di 1 KHz e 2 KHz, dove si ha il valore massimo di amplificazione.
Analizziamo ora il funzionamento dell’amplificatore in esame. Mantenendo la tensione in ingresso all’amplificatore costante, si è proceduti al rilievo della curva di risposta in frequenza del dispositivo, variando la frequenza del segnale in ingresso. È così possibile notare che all’aumentare della frequenza di tale segnale si ha un aumento della tensione del segnale di uscita. È opportuno, a questo punto, definire due parametri fondamentali nell’uso degli amplificatori: la frequenza di taglio inferiore e la frequenza di taglio superiore, alle quali l’ampiezza del segnale subisce una riduzione al 70,7 % del suo valore massimo (attenuazione di 3 dB). I valori di tali frequenze possono essere determinati calcolando il valore della tensione attenuato, considerando come valore massimo del segnale in uscita quello da noi rilevato (380 mV):

È questo il valore di tensione del segnale di uscita che si ha in corrispondenza delle due frequenze di taglio. Determinato tale valore, abbiamo dedotto direttamente a quale frequenza da noi osservata corrispondeva un valore della tensione di uscita prossimo a 268,7 mV. Nel caso della frequenza di taglio inferiore fTL, è facile capire che tale valore di frequenza è compreso tra 110 Hz e 150 Hz: sperimentalmente abbiamo quindi variato la frequenza nel campo in questione fin quando la tensione di uscita non ha raggiunto il valore di 268,7 mV (mantenendo comunque la tensione di ingresso fissa), cosa che si è verificata alla frequenza di115,6 Hz.

Identica procedura è stata eseguita per determinare la frequenza di taglio superiore fTH: osservando la tabella relativa alle misure, notiamo che il valore di tensione di 268,7 mV si ha per una frequenza compresa tra 20 KHz e 30 KHz. Anche in questo caso abbiamo variato direttamente la frequenza in questo campo, con tensione di ingresso fissa, e il valore di tensione si è avuto a 25,9 KHz.

Possiamo così determinare la banda passante dell’amplificatore come:

Possiamo inoltre dire che, avendo un amplificatore con amplificazione pari a 100, il guadagno in corrispondenza del valore massimo rilevato dovrebbe essere pari a:

Nel nostro caso invece il guadagno in corrispondenza del valore massimo è pari a:

Per capire questa differenza, basta osservare che il valore 380 mV viene rilevato per due volte, una con frequenza 1 KHz e l’altra con frequenza 2 KHz: ciò significa che l’amplificazione massima si ha per un valore di frequenza compreso tra 1 e 2 KHz, dove quindi il guadagno sarà di 40 dB.
Per quanto riguarda la fase, possiamo dire che alla frequenza di taglio di superiore fTH deve corrispondere uno sfasamento di -45°, mentre a quella inferiore fTL deve essere di 45°. Grazie al misuratore di fase abbiamo rilevato questi due valori in corrispondenza delle frequenze di taglio: 43,4° per la frequenza di taglio inferiore, -45,1 per quella superiore.
Sempre grazie al rilevatore di fase abbiamo potuto rilevare il guadagno in ampiezza del segnale in corrispondenza delle frequenze di taglio, che, avendo un valore di uscita di 268,7 mV, deve essere pari a:

In corrispondenza della frequenza di taglio inferiore abbiamo invece rilevato un guadagno di 34,1 dB, mentre per quanto riguarda quella superiore abbiamo rilevato un guadagno di 34 dB.
Sulla base dei valori di sfasamento e guadagno, che presentano comunque una minima differenza tra valori teorici e valori sperimentali, possiamo dire che le frequenze di taglio da noi rilevate corrispondo pressoché a quelle effettive.

TABELLA E GRAFICO

Esempio