Rilievo della curva di risposta in frequenza di un amplificatore

Materie:Tesina
Categoria:Elettronica
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Testo

LABORATORIO DI ELETTRONICA
ALUNNO: Fratto Claudio
CLASSE: IV B Informatico
ESERCITAZIONE N°: 5
OGGETTO: RILIEVO DELLA CURVA DI RISPOSTA IN FREQUENZA DI UN AMPLIFICATORE A BJT AC180
SCHEMA

DATI:
VIn = 20mV

STRUMENTI UTILIZZATI
1) Un generatore di funzioni
2) Due multimetri impostati come voltmetri
3) Un blocco equivalente al circuito di
un amplificatore
4) Box montaggio
DATI RILEVATI
GRAFICO CURVA DI RISPOSTA IN FREQUENZA DI UN AMPLIFICATORE A BJT AC180 RILEVATA SPERIMENTALMENTE
RELAZIONE
L’esperienza effettuata in laboratorio si è articolata in cinque fasi:
1) la prima fase consisteva nell’andare a montare il circuito attraverso il quale si poteva rilevare la curva di risposta in frequenza dell’amplificatore composto da un transistor BJT;
2) la seconda fase consisteva nell’andare a rilevare i valori della tensione di uscita, applicando in ingresso un segnale di ampiezza costante ma con frequenza diversa (sono state effettuate 22 rilevazioni);
3) la terza fase consisteva nell’andare a riportare su una tabella i valori rilevati calcolando inoltre il guadagno di tensione (Av), per poi esprimerlo in decibel (Av(db));
4) la quarta fase consisteva nell’andare a riportare su di un grafico i punti, aventi come coordinate il valore della frequenza e il valore del guadagno di tensione espresso in decibel, per poi congiungerli ottenendo la curva di risposta in frequenza dell’amplificatore preso in esame;
5) la quinta fase consisteva nell’andare ad analizzare la curva ottenuta dimostrando il funzionamento dell’amplificatore.
• CENNI TEORICI SUGLI AMPLIFICATORI:
Gli amplificatori sono dei dispositivi che modificano l’ampiezza di un determinato segnale postovi in ingresso. Essi sono dei dispositivi lineari cioè dei dispositivi nei quali, a variazioni del segnale in ingresso corrispondono variazioni proporzionali del segnale in uscita, senza che risultino presenti informazione alterate del segnale (le distorsioni): infatti il segnale presente in uscita (quello amplificato) ha una forma di onda uguale a quella del segnale applicato in ingresso ma si differenzia dallo stesso poiché ha un’ampiezza maggiore.
Il rapporto tra la variazione di uscita e la variazione di ingresso è un parametro caratteristico di ciascun amplificatore; esso è chiamato guadagno (Av). Esso è adimensionale ma in alcuni casi viene espresso in decibel.
Gli amplificatori sono dei componenti attivi, ciò significa che l’energia utilizzata per amplificare i segnali non proviene dal segnale posto in ingresso, ma proviene da fonti esterne.
L’elemento fondamentale nella maggior parte degli amplificatori è il transistor (esistono infatti amplificatori caratterizzati da i tubi a vuoto); quando nel circuito di un amplificatore è presente un transistor, l’amplificatore stesso viene chiamato amplificatore a transistor.
In elettronica esistono due categorie di amplificatori:
a) gli amplificatori di segnale, che amplificano l’ampiezza del segnale postovi in ingresso;
b) gli amplificatori di potenza, che amplificano il valore di potenza associato ad un segnale.
Per determinare le curve caratteristiche di risposta degli amplificatori, determinando quindi il loro comportamento, sono presenti due metodi di analisi distinti:
a) l’analisi nel dominio della frequenza, effettuata mediante segnali sinusoidali e attraverso il quale si possono determinare le curve caratteristiche del segnale di uscita dell’amplificatore al variare del valore della frequenza del segnale d’ingresso;
b) l’analisi nel dominio del tempo, effettuata mediante segnali a gradino, cioè dei segnali che presentano una singola e rapida commutazione nel tempo.
• IL CIRCUITO DI UN AMPLIFICATORE AD EMETTITORE COMUNE:

Il circuito di un amplificatore ad emettitore comune, chiamato anche ad emettitore a massa, è composto da diverse componenti che si possono raggruppare in diversi gruppi:
a) il circuito di autopolarizzazione, composto dalle resistenza R1 e R2 e dal generatore di tensione Vcc, che serve proprio per polarizzare le giunzioni che compongono il transistor. Il parallelo tra le due resistenze non è altro che la resistenza di base Rb;
b) il circuito di stabilizzazione termica, costituito dalla resistenza Re e dal condensatore Ce. Il parallelo tra queste due componenti (quando sono presenti) permette di cortocircuitare a massa tutte le componenti alternate facendo si che si possano avere delle maggio amplificazioni;
c) i condensatori di accompagnamento, cioè i due condensatori Ca e Ca’. Essi devono essere accoppiati con delle resistenze per caricarli e scaricarli. Il condensatore Ca serve per bloccare tutte le eventuali componenti continue presenti in ingresso; il condensatore Ca’ serve per bloccare tutte quelle componenti continue presenti in uscita.
d) L’utilizzatore, cioè la resistenza RL, che non è altro che il componente ai cui capi viene prelevata l’ampiezza del segnale di uscita, amplificata rispetto a quella del segnale di ingresso prodotto dal generatore e.

LA RISPOSTA IN FREQUENZA DI UN AMPLIFICATORE
La risposta in frequenza di un amplificatore consiste nel rappresentare il comportamento dell’amplificatore, su di un grafico, al variare della frequenza del segnale applicato in ingresso. Il grafico del comportamento di un amplificatore è:

Sull’asse delle ascisse sono presenti i valori della frequenza, espressi in Hertz, del segnale di ingresso; sull’asse delle ordinate sono presenti i valori del guadagno, cioè il rapporto tra la corrente o la tensione o la potenze di uscita con il rispettivo valore di ingresso, ad un determinato valore di frequenza.
Il grafico esprime quindi il valore del guadagno Av in funzione della frequenza f (Av = f(f)).
Dall’analisi di questo grafico si può osservare che:
a) per valori di frequenza molto basse, il valore del guadagno tende a zero (dovrebbe essere nullo idealmente). Ciò è dovuto ai condensatori che svolgono la funzione di un blocco;
b) per valori di frequenze molto alte, il valore del guadagno tende a zero (dovrebbe esser nullo idealmente). Ciò è dovuto ai condensatori che si comportano come un cortocircuito;
c) per valori di frequenze intermedie, cioè per frequenze comprese tra fi e fs, il valore del guadagno è accettabile ( 70% < guadagno < 100% ). In questo intervallo di frequenze, chiamato banda passante, l’amplificatore funziona al meglio. L’ampiezza della banda passante è quindi uguale a fs - fi. Questi due valori di frequenza non sono altro che i valori che dovrebbe assumere la frequenza per avere un guadagno pari a Av(max) / √2, cioè pari circa al 70% del segnale.
• FASE 1:
Per rilevare le curve di risposta in frequenza di un amplificatore ad uno stadio, dotato cioè di un solo transistor, nel nostro caso costituito da semiconduttori al germanio ( nella sigla del transistor utilizzato [AC180] la lettera A rappresenta proprio il materiale di cui è costituito il transistor), si è montato un circuito dotato di un generatore di funzione collegato ad un blocco equivalente a quello di un amplificatore ( vedi foglio 5 ).

In fase di realizzazione del circuito si è inserito:

1) un multimetro (M1), impostato come voltmetro, collegato in parallelo ai due morsetti di ingresso del blocco equivalente all’amplificatore, per rilevare il valore della tensione di ingresso Vin e controllare che resti costante per tutta la fase di rilevazione;
2) un multimetro (M2), impostato come voltmetro, collegato in parallelo ai due morsetti di uscita del blocco equivalente all’amplificatore, per rilevare il valore della tensione di uscita Vout.

Finite le operazioni di collegamento si è passati alla rilevazione dei dati.
• FASE 2:
Prima di effettuare le rilevazione è stato fornito in ingresso un segnale avente un valore di ampiezza costante ( 20mV) controllato per tutta la durata delle rilevazioni attraverso M1.
Sono state effettuate 22 rilevazioni del valore della tensione di uscita, attraverso M2, variando, con l’ausilio di un frequenzimetro, la frequenza del segnale fornito in ingresso.
• FASE 3:
Dopo aver rilevato i dati si è potuto passare alla trascrizione degli stessi in un tabella (vedi foglio2). Trascritti i dati si è potuto calcolare il valore dei rispettivi guadagni di tensione Av. Essi non sono altro che il rapporto tra i valori delle tensione di uscita Vout con i rispettivi valori delle tensioni di ingresso Vin. Calcolati tutti i valori di Av, si è potuto esprimerli in decibel utilizzando la formula Av(db) = 20 log (Av).
• FASE 4:
In questa fase si è andati a riportare su di un grafico i punti, aventi come coordinate, rispettivamente per l’asse delle ascisse e per l’asse delle ordinate, il valore della frequenza ed il valore del guadagno espresso in decibel. Si è utilizzato un piano cartesiano avente una scala semilogaritmica. L’uso di questa scala è dovuto al fatto che per rappresentare un intervallo di dati molto grande ( 20 [Hz] < f < 100 [kHz] ) in poco spazio non è sufficiente una scala lineare. La caratteristica principale di una scala semilogaritmica è quella che la distanza tra due valori è proporzionale ai logaritmi degli stessi. Nel nostro caso la scala era semilogaritmica poiché sull’asse dove si è andati a riportare i valori delle frequenze, vi era una scala logaritmica, mentre sull’asse dove si è andati a riportare i valori dei guadagni, espressi in decibel, era presente una scala lineare.
Una volta posizionati tutti i punti (ognuno dei quali rappresentava i valori di ogni singola rilevazione) si è stati in grado di congiungerli ricavandone la curva di risposta in frequenza dell’amplificatore ( vedi foglio 4 ).
• FASE 5:
Dopo aver congiunto tutti i punti e rilevata la curva di risposta in frequenza, si è potuti passare all’analisi della stessa.
ANALISI DELLA CURVA DI RISPOSTA IN FREQUENZA:
a) la curva, per frequenze basse ( f < 60 [Hz], circa ), ha dei valori di guadagno inferiore al 70% del valore di guadagno massimo (40) quindi valori di guadagno non accettabili. Ciò dimostra che i condensatori hanno svolto correttamente la loro funzione di blocco;
b) la curva, per frequenze alte ( f > 68 [kHz], circa ), ha dei valori di guadagno inferiore al 70% del valore di guadagno massimo (40) quindi valori di guadagno non accettabili. Ciò dimostra che i condensatori hanno svolto correttamente la loro funzione di cortocircuito;
c) la curva, per frequenze intermedie ( 60 [Hz] < f < 68 [kHz], circa ), ha dei valori di guadagno compreso tra il 70% e il 100% del valore di guadagno massimo (40) quindi valori di guadagno accettabili. Ciò dimostra che l’amplificatore ha funzionato al meglio.
Claudio Fratto Esercitazione N°5 Laboratorio di Elettronica 18-03-2008
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