Amplificatore audio finale

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Categoria:	Tecnologia Meccanica
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Data:	18.10.2000
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Specifiche
• L’amplificatore audio deve essere in grado di erogare su un altoparlante la potenza di 1L2 W
• La sensibilità deve essere di qualche decimo di volt.
• L’alimentazione con generatore a banco di 18V
Descrizione del progetto
Il progetto da noi realizzato è composto da due parti fondamentali:
1. Amplificatore TDA 2030
2. Alimentazione di tipo singola di 15V.
Queste due parti assemblate su un’unica basetta, formano il nostro amplificatore finale, però, se ci fossero solo questi, il progetto non sarebbe in grado di funzionare, così vengono utilizzati anche altri componenti che verranno descritti prossimamente.
I problemi che affronteremo quando realizzeremo questo progetto, sono legati principalmente all’uso di un’alimentazione singola per tutto il sistema e di individuare soluzioni che consentano bassi consumi di corrente e un ingombro relativamente ridotto.
Questo amplificatore finale è usato principalmente in laboratorio come modulo finale da collegare a dispositivi audio di vario genere.
Fra i diversi amplificatori integrati presenti sul mercato, abbiamo utilizzato il TDA2030 della SGS Thompson: questo è un amplificatore audio piuttosto diffuso per applicazioni di media potenza. Esso è in grado di erogare fino a 18W di potenza (tuttavia si vede dalle caratteristiche elettriche che tale potenza massima è erogabile solo su un carico di 4t; per carichi di 8; essa scende a 12W di potenza).
Per tensioni d’alimentazione ancora inferiori, si può seguire il seguente metodo.
L’escursione picco-picco del segnale di uscita si avvicina alla tensione di alimentazione a meno delle cadute di tensione interne allo stadio finale. Per carichi Rl di 8u, ad esempio, assumendo una caduta interna di 2V, sia che l’ampiezza massima del segnale di uscita vale:
Vlm(max) = Vs/2 = -2V.
La potenza massima erogata vale:
Pl(max) = Vlm(max)/2Rl.
Il segnale d’ingresso, prelevato tramite il potenziometro logaritmico R1 che funge da regolatore di volume, giunge attraverso il condensatore C1 d’accoppiamento all’ingresso non invertente dell’integrato TDA2030. Quest’ingresso, dal momento che l’amplificatore lavora con alimentazione singola, è polarizzato a Vs/2 tramite il partitore R2 R3 ed il condensatore stabilizzatore C2. In questo modo a riposo, ovvero senza segnale, anche le tensioni sull’ingresso invertente e sull’uscita si stabilizzano a Vs/2.
La resistenza R4, di valore uguale a R6, consente di minimizzare l’effetto dell’offset. Il ramo di reazione per il segnale è costituito dalle resistenze R6 e R5.
Il condensatore C3 fissa la frequenza di taglio inferiore fl=15 Hz.
I due diodi D1 e D2 proteggono l’uscita da possibili sovratensioni positive e negative che possono nascere a causa della componente induttiva del carico.
Questo è il funzionamento dell’amplificatore finale; adesso andrò a spiegare, anche se a caratteri generali, i componenti usati per la realizzazione del progetto:
I RESISTORI sono componenti elettrici che consentono di concentrare un elemento circuitale di dimensione ridotta valori prefissati di resistenza. La gamma di valori disponibili in commercio va dalle frazioni di i ai M e più.
Le forme e le dimensioni sono molto varie anche se nella maggior parte dei casi si possono ricondurre ad una struttura cilindrica o parallelepipeda. In generale un resistore comprende un supporto isolante che conferisce rigidità al componente e sostiene l’elemento resistivo costituito da un filo o da un film conduttore. Quest’ultimo elettricamente collegato alle due estremità a due terminali o reofori, fornisce il valore della resistenza desiderato: il tutto incapsulato in un contenitore plastico, cilindrico o parallelepipedo, che reca l’ indicazione del valore resistivo del componente. Di solito negli schemi circuitali i resistori vengono sempre contraddistinti con la lettera maiuscola R seguita dal numero d’ordine.
Altri tipi di resistori sono i POTENZIOMETRI i quali sono costituiti da un elemento resistivo provvisti di due terminali, sul qual è in grado di strisciare il contatto mobile, il cursore, collegato ad un terminale intermedio. Il cursore suddivide pertanto la resistenza posta tra i terminali estremi in due resistenze, il cui valore dipende dalla posizione del cursore stesso; generalmente l’elemento resistivo presenta forma circolare ed il cursore viene spostato mediante un alberino girevole.
Questo componente può essere impiegato nella cosiddetta inserzione potenziometrica oppure come resistore variabile o reostato; esistono vari tipi di potenziometri logaritmi, lineari, ecc.: i più comuni sono quelli lineari, mentre i logaritmi vengono usati in particolare nella regolazione del volume negli apparecchi audio. Altro componente usato è il condensatore che è costituito da due superfici conduttrici, le armature, fra le quali è interposto uno strato isolante il dielettrico.
La grandezza che caratterizza i condensatori è la capacità, espressa in F, ed in commercio si trovano condensatori di forme e dimensioni molto varie con dei valori di capacità che oscillano dai pF fino ad arrivare ai F.A differenza del resistore, il condensatore è in grado di accumulare e erogare energia. Il suo comportamento è fortemente dipendente dalla frequenza cui lavora, ed, infatti, è insostituibile nei filtri, nei circuiti risonanti, come by-pass e di accoppiamento fra circuiti. I tipi di condensatori usati nel progetto sono quelli plastici, ceramici e elettrolitici.
Studio di fattibilità
Prima di iniziare lo sviluppo del progetto dobbiamo effettuare lo studio di fattibilità del prodotto, cioè constatare se si dispone di tutto il materiale occorrente per realizzare il progetto. Per questa esperienza sono stati utilizzati:
• Saldatore
• Trapano a colonna
• Bromografo
• Macchina per fotoincisione
• Computer
• Multimetro
• Oscilloscopio
• Generatore di funzione
Oltre a questi attrezzi sono stati utilizzati anche i componenti che il nostro progetto richiedeva e che verranno elencati di seguito con le relative specifiche tecniche.

Specifiche tecniche
CONDENSATORI ELETTROLITICI 50V

C1 = C3 = 2,2CF

SPECIFICHE TECNICHE
• Tolleranza sulla capacità a 20%
• Tempo di funzionamento - 25°C + 85°C
• Corrente di dispersione(1 mA) 0.01 cV o 3CA
• Corrente di ondulazione
Misurata a 120Hz e 85°C 20 mA

CARATTERISTICHE
Lunghezza 11mm
Diametro corpoD 5mm
Diamero fili D 0.5mm
Passo fili 0.2mm
PREZZO 1-9= L.2320 CAD.
40-49= L.1990 CAD

C2=22CF 50V

SPECIFICHE TECNICHE
Tolleranza di capacità T 20%
Tempo di funzionamento - 40°C + 85°C
Capacità di perdita (1 CA) 0.01 cV o 3 AA
Corrente di ondulazione
Misurata a 120Hz e 85°C 100mA

CARATTERISTICHE
Lunghezza 11mm
Diametro corpo D 5 mm
Diametro fili D 0.6 mm
Passo fili 2mm

PREZZO 1-9= L.700
10-49= L.530

C4=200CF

SPECIFICHE TECNICHE
Tolleranza sulla capacità e 20%
Tempo di funzionamento - 25°C + 85°C
Corrente di dispersione(1 mA) 0.01 cV o 3CA
Corrente di ondulazione
Misurata a 120Hz e 85°C 20 mA

CARATTERISTICHE
Lunghezza 12.5mm
Diametro corpo D 10 mm
Diametro fili D 0.6 mm
Passo fili 5mm

PREZZO 1-9= L.2320 CAD.
40-49= L.1990 CAD

C7=2200CF

SPECIFICHE TECNICHE
Tolleranza sulla capacità T 20%
Tempo di funzionamento - 40°C + 85°C
Corrente di dispersione(1 mA) 0.01% cVmax
Durata a 85°C 2000 ore
Ondulazione (A) Veff. 120Hz 1.4

CARATTERISTICHE
Lunghezza 25mm
Diametro corpo D 125.5 mm

PREZZO 1-9= L.4770
10-49= L.4280

CONDENSATORE CERAMICO
C5=1000F

SPECIFICHE TECNICHE
Temperatura di funzionamento – 25°C +85°C
Resistenza di isolamento >1000 M>
Rigidità dielettrica 2.5xV di valore
Tensione nominale 50 V
Tolleranza capacità -20% + 80%

CARATTERISTICHE
Lunghezza filo 25mm
Diametro corpo D max 8 mm
Diametro fili D 0.5 mm
Passo fili 5mm
Spessore max 3 mm

PREZZO 1-4= L.3050 CAD.
5-24= L.2190 CAD

CONDENSATORE PLASTICO

C6=100CF

SPECIFICHE TECNICHE
Temperatura di funzionamento – 25°C +85°C
Resistenza di isolamento >1000 M>
Rigidità dielettrica 2.5xV di valore
Tensione nominale 50 V
Tolleranza capacità -20% + 80%

CARATTERISTICHE
Lunghezza filo 20mm
Diametro corpo D max 8 mm
Diametro fili D 0.6 mm
Passo fili 5mm
Spessore max 3 mm

PREZZO 1-4= L.3050 CAD.
5-24= L.2190 CAD

DIODI 1N4001
D1=D2
CARATTERISTICHE
Lunghezza filo 5mm
Diametro corpo D 3 mm
Diametro fili D 0.8 mm

PREZZO 1-24= L.1600 CAD.
25-99= L.1490 CAD

POTENZIOMETRO LOGARITMICO

R1=100KR

SPECIFICHE TECNICHE
Potenza nominale a 70°C 0.5W (lin) 0.25W(log)
Tolleranza della Resistenza T 20%
Coefficiente termico e 1000ppm/°C
Variazione resistenza contatti 1.5%
Resistenza finale 2R max
Rotazione 265° elettrica 295° meccanica
Resistenza meccanica 100000 circa
Temperatura di funzionamento -25°C + 125°C

CARATTERISTICHE
Dimensione corpo largh.12.7mm
prof. 7,6mm
Alberino diam.6,35mm lungh.22mm
Boccola di montaggio diam.0.5 mm
Lungh. 9.5mm
Montabili su pannello a scheda o a circuito stampato
Corpo ridotto (7.66mm) per maggior risparmio di spazio
Peso leggero
Scelta di diametri della boccola e dell’ alberino
Opzioni con uscita lineare e audio
Lunga durata meccanica(100000 circa)
Corpo e boccola totalmante isolati
Fornito con dado e rondella di bloccaggio metallico

RESISTENZE

R2=R3=R4=R6=100KR

SPECIFICHE TECNICHE
Dissipazione nominale 30°C 1/4W
Tolleranza 5%
Coefficiente termico 300ppm/°C
Tensione di limitazione 350v
Max tensione di sovraccarico 600V
Resistenza di isolamento 1000MR
Temperatura di funzionamento -55°C +23.5°C
CARATTERISTICHE
Lunghezza corpo 9mm
Diametro corpo 4mm
Lunghezza filo g 25mm
Diametro fili D 0.7mm

R5=4.7KR

SPECIFICHE TECNICHE
Dissipazione nominale 30°C 1/4W
Tolleranza 5%
Coefficiente termico 300ppm/°C
Tensione di limitazione 350v
Max tensione di sovraccarico 600V
Resistenza di isolamento 1000MR
Temperatura di funzionamento -55°C +23.5°C
CARATTERISTICHE
Lunghezza corpo 9mm
Diametro corpo 5mm
Lunghezza filo L 25mm
Diametro fili D 0.9mm
R7=1R

SPECIFICHE TECNICHE
Dissipazione nominale 30°C 1W
Tolleranza 5%
Coefficiente termico 300ppm/°C
Tensione di limitazione 350v
Max tensione di sovraccarico 600V
Resistenza di isolamento 1000MR
Temperatura di funzionamento -55°C +23.5°C

CARATTERISTICHE
Lunghezza corpo 9mm
Diametro corpo 3mm
Lunghezza filo L 25mm
Diametro fili D 0.7mm

Amplificatori integrati
I recenti progressi della tecnologia elettronica hanno consentito la realizzazione di ampl. integrati con eccellenti prestazioni elettriche e un ingombro così ridotto da far ritenere l'amplificatore un componente piuttosto che un circuito. Gli ampl. integrati possono essere ampl. ad audiofrequenza o ampl. a videofrequenza ed eventualmente ampl. differenziali costituiti dall'insieme di due amplificatori, ai cui ingressi vengono applicati due segnali di cui il dispositivo amplifica la differenza. Questa differenza amplificata costituisce il segnale di uscita: l'ampl. differenziale può venire considerato come un ampl. operazionale di tipo particolare. Per il suo basso livello di ripple in uscita è utilizzato particolarmente negli oscilloscopi.
Tipi speciali di amplificatori
Rientrano ancora negli ampl. alcuni tipi speciali che sono indicativi della varietà dei problemi e dei metodi incontrati nella tecnica degli amplificatori. Negli ampl. a basso rumore si è interessati a ridurre il più possibile l'ampiezza del minimo segnale distinguibile dal rumore elettrico generato nel circuito. Normalmente è il componente attivo del primo stadio di amplificazione a fornire il maggior contributo al rumore ed esso è perciò scelto tra i componenti a bassa cifra di rumore, quali i transistori a effetto di campo. Il minimo segnale distinguibile dipende inoltre anche dalla banda passante richiesta all'ampl. e dalla resistenza interna del generatore di segnale. Per l'amplificazione a basso rumore di segnali sinusoidali a frequenza audio o video si ottengono elevate prestazioni con il principio della rivelazione sincrona, utilizzato negli ampl. ad agganciamento o ampl. lock - in, nei quali il segnale da amplificare viene modulato, amplificato e demodulato in fase con il generatore del segnale stesso. Al crescere del tempo di integrazione, l'inverso del quale è proporzionale alla larghezza di banda effettiva, si ha un forte aumento della sensibilità dell'ampl., che può permettere di effettuare misure di tensione a livelli di 10-9 V. Per l'amplificazione a basso rumore di tensioni continue o lentamente variabili si impiegano gli ampl. a chopper, dove il segnale di ingresso è convertito per mezzo di un interruttore elettronico in un segnale a frequenza audio, che può essere successivamente amplificato in modo convenzionale. Alle alte frequenze, uno schema di ampl. talvolta impiegato con vantaggio è quella dell'ampl. distribuito . Esso può essere costituito da una serie di transistori (FET o bipolari) i cui segnali di ingresso sono forniti da una serie di prese poste lungo una prima linea di ritardo mentre i segnali amplificati sono raccolti da altrettante prese in una seconda linea di ritardo. Nell'ampl. distribuito l'amplificazione complessiva è la semisomma delle amplificazioni dei singoli stadi e si possono ottenere bande passanti considerevolmente più elevate di quelle ottenibili con gli stessi componenti nelle ordinarie configurazioni circuitali. Infine, per le microonde esistono tubi speciali, come il klystron e il tubo a onde viaggianti che consentono l'amplificazione a frequenze di parecchi GHz, anche a livelli di potenza notevolmente alti. Sempre per le altissime frequenze, cioè per frequenze dell'ordine dei GHz, sono stati recentemente sviluppati ampl. parametrici a bassa temperatura di rumore, utili per le comunicazioni a grande distanza. Essi impiegano un diodo a semiconduttore speciale, il varactor (dall'inglese variable reactor), nel quale la capacità della giunzione pn varia sensibilmente con la tensione applicata. La nonlinearità della reattanza capacitiva consente di miscelare nel varactor il segnale da amplificare con una tensione d’alimentazione di elevata ampiezza e frequenza opportuna. Il segnale di battimento che è generato nel varactor ha un'ampiezza più grande di quella del segnale d'ingresso, se la tensione d'alimentazione è sufficientemente alta, e la sua frequenza è trasposta, rispetto a quella del segnale di ingresso, di una quantità pari alla frequenza dell'alimentazione. La trasposizione viene successivamente eliminata mediante tecniche convenzionali. Con l'ampl. parametrico a varactor si possono ottenere parecchi decibel di guadagno a frequenze intorno al GHz con cifre di rumore migliori di quelle dei circuiti con tubi a vuoto (frazioni di decibel).Un altro tipo di ampl. per alte frequenze è l'ampl. a resistenza (o a conduttanza) negativa, che utilizza il tratto di caratteristica tensione - corrente a resistenza (conduttanza) differenziale negativa presentata da alcuni componenti speciali quali p. es. il diodo tunnel, il diodo a valanga e il dispositivo a effetto Gunn. L'ampl. dielettrico è un ampl. di potenza il cui funzionamento è basato sulla variazione di capacità di un particolare tipo di condensatore, il cui dielettrico è un materiale ferroelettrico, p. es. titanato di bario. La variazione di capacità si ha quando a esso viene applicata una tensione continua di polarizzazione Vac. che si sovrappone al segnale alternato in ingresso Vai. Detto condensatore Cav fa parte di un circuito comprendente un oscillatore ad alta frequenza O, un resistore R, un induttore L e un altro condensatore C. La variazione della capacità Cav modula, con una funzione modulatrice coincidente con il segnale di entrata Vai, il segnale ad alta frequenza (molto più alta di quella del segnale di entrata). Il segnale modulato Vau, raccolto ai capi del resistore, dopo demodulazione (non illustrata in figura) riproduce, amplificato, il segnale di entrata. L'induttore L impedisce che la corrente generata da O percorra il circuito di entrata. L'ampl. dielettrico viene talvolta usato in apparecchi di misurazione e controllo. L'ampl. magnetico è un particolare dispositivo elettromagnetico basato su induttori a nucleo ferromagnetico, o reattori saturabili, nei quali un segnale di controllo regola una potenza di uscita alla quale corrisponde una potenza assai più alta di quella del segnale stesso. L'ampl. magnetico si basa sullo spostamento del punto di lavoro della caratteristica magnetica degli induttori effettuato dal segnale di controllo . Se la tensione del segnale di controllo è tale da corrispondere alla parte lineare della caratteristica magnetica dei reattori la corrente assorbita da questi sarà ancora sinusoidale; ma se invece viene applicata una tensione continua che sposta il tratto di lavoro in una parte non lineare della caratteristica, le correnti assorbite saranno fortemente distorte e di ampiezza assai maggiore. Generalmente la corrente viene raddrizzata da un ponte di raddrizzatori: si comprende come nel secondo caso (tratto non lineare) si determina un'amplificazione funzione del segnale di controllo. Spesso si fa uso di reazione positiva disponendo sui due induttori due avvolgimenti percorsi in senso opposto dalla corrente raddrizzata onde ottenere un aumento di amplificazione. Questi ampl. non hanno parti mobili; hanno bassa impedenza di entrata e basso rumore di fondo; l'amplificazione di potenza è sui 100 (40 dB), ma può raggiungere 10a6 (120 dB). Gli aspetti negativi rispetto all'ampl. elettronico sono costituiti dal valore troppo alto della costante di tempo, circa 0,1 s, dalla scarsa linearità, dalle grandi dimensioni. L'ampl. per microonde è un particolare tipo di ampl. largamente impiegato per aumentare l'ampiezza di segnali a frequenze da uno ad alcune decine di GHz per una vasta gamma di applicazioni (radar, telespazio, ecc.). Fondamentalmente vengono realizzati con ampl. parametrici o ampl. molecolari o maser, che utilizzano la emissione di energia elettromagnetica da parte di atomi o sistemi molecolari che vengano opportunamente eccitati. L'ampl. biologico è un tipo speciale di ampl. usato in medicina e biologia la cui realizzazione è stata resa possibile dallo sviluppo della tecnica elettronica e dalla miniaturizzazione dei componenti allo stato solido. É un ampl. per corrente continua in grado di amplificare tensioni che vanno da qualche microvolt, in un campo di frequenze da qualche decimo di hertz sino a qualche centinaio di hertz. Il segnale da amplificare, prelevato mediante speciali elementi sensori dagli organi o dalle cellule sotto controllo sperimentale, viene amplificato dall'ampl. biologico e inviato agli strumenti di controllo e di registrazione, sia direttamente mediante conduttori elettrici, sia mediante onde elettromagnetiche emesse da minuscoli trasmettitori. AMPL. operazionale (A.O.), sviluppato come componente per l'esecuzione dei calcoli (somma, differenza, moltiplicazione, divisione, integrazione, differenziazione, ecc.) nei calcolatori analogici, l'A.O. ha acquistato grandissima importanza quale blocco base dei circuiti elettronici sia lineari che non lineari. Fra le funzioni di elaborazione dei segnali spesso realizzate con A.O., vi sono l'amplificazione, il filtraggio analogico, il buffering (funzione di collegamento sincrono o di cuscinetto fra due circuiti), il raddrizzamento, la rilevazione di soglia, l'interruzione digitale. L'A.O. è costituito da numerosi componenti elettronici (transistori, resistenze, capacità, generatori di corrente e tensione, ecc.) contenuti nello stesso chip. Un'architettura molto generale di A.O. è costituita da due ampl. differenziali in cascata, da un terzo stadio a emettitore comune di compensazione e amplificazione e da uno stadio di potenza "inseguitore di emettitore" a simmetria complementare (npn e pnp), quest'ultimo per fornire un elevato guadagno di corrente e bassa impedenza di uscita. L'A.O., realizzato come un singolo circuito integrato, è costituito da due ingressi di tensione di segno opposto (V+, V-) e un'uscita Vu=Av (V+-V-), proporzionale alla differenza tra i due ingressi. Il guadagno differenziale Av è molto elevato (da diecimila a un milione), la resistenza interna di ingresso (fra V+ e V-) può raggiungere il milione di ohm per i transistori bipolari, la resistenza di uscita è piccola (100 ohm o meno), la banda passante può essere estesa dalla continua a molti MHz sacrificando il guadagno mediante circuiti di controreazione. L'A.O. si satura molto facilmente dato che la tensione di uscita non può superare quella di polarizzazione e basta un piccolissimo squilibrio all'ingresso per pilotare la tensione di uscita ai limiti (positivo e negativo) dell'alimentazione. Dato il guadagno in gioco, le prestazioni dell'A.O., associate a opportuni circuiti di reazione e alla miniaturizzazione (chip) permettono alta affidabilità, elevata compensazione di temperatura, bassa deriva di tensione e corrente, parametri principali legati a componenti circuitali semplici, in genere passivi, dotati di grande stabilità. É il caso, p. es., dell'A.O. non invertente o di quello invertente che, nell'ipotesi che l'amplificazione dell'A.O. sia molto elevata, presenta, grazie alla reazione composta di elementi resistivi, un'amplificazione complessiva pari a rapporti fra resistenze le quali possono avere precisione e stabilità molto elevate. Dato il grandissimo guadagno dell'A.O. ad anello aperto, quando un ingresso è a terra, l'altro diventa una terra virtuale, una caratteristica molto utile in diverse applicazioni, quale la conversione analogico-digitale. schemi A.O. con prestazioni elevate si citano nel campo dei circuiti lineari l'A.O. non invertente e invertente, l'inseguitore di tensione (che permette di disaccoppiare l'ingresso dall'uscita e che può erogare correnti elevate senza prelievo di corrente dall'ingresso), l'integratore, il derivatore; il sommatore analogico è un'estensione del non invertente (con tanti ingressi in parallelo con proprie resistenze Rai per realizzare una combinazione lineare in uscita). L'ampl. di corrente, di transconduttanza e di transresistenza, i circuiti selettivi in frequenza richiesti in strumentazione, gli ampl. differenziali sono altri esempi. Fra gli impieghi non lineari si citano il circuito bistabile, che serve da comparatore con una banda per la soppressione del rumore, il multivibratore, l'ampl. logaritmico, i limitatori, i rivelatori di zero. Altre applicazioni riguardano infine i generatori di tensione di riferimento, gli oscillatori, i generatori di forma d'onda e i convertitori. La flessibilità dell'A.O. quale componente centrale di un circuito deve confrontarsi comunque con i limiti intrinseci, anche se molto ampi, derivanti dai componenti; oltre a quelli citati (guadagno differenziale, impedenza di ingresso e uscita, banda passante) sono particolarmente importanti: il guadagno in modo comune che dovrebbe essere nullo perché la tensione di uscita sia zero quando i segnali di ingresso sono uguali, la tensione residua (offset) in uscita a ingressi nulli, lo slew rate, la velocità limite di rampa della tensione di ingresso perché non vi sia distorsione (i migliori A.O. presentano slew rates di 100 V/s, quelli medi 1 V/s). Lo sviluppo tecnologico nel campo dei circuiti integrati continua comunque a spostare le frontiere delle prestazioni degli A.O. Gli A.O. possono venire oggi realizzati in versioni a bassissimo rumore, pur con prestazioni economiche sempre migliori (preamplificatori microfonici, ampl. per strumentazione, ampl. per sensori); un altro campo riguarda gli A.O. di potenza, versatili quando sono richieste alte correnti e alte tensioni per funzioni di pilotaggio: comandi di motori, circuiti deflettori di pannelli elettronici, funzioni di controllo per ampl. audio di alta qualità; p. es., un A.O. audio può fornire 150 W a un carico di 4 ohm con distorsione dell'uno per diecimila. Alla fine degli anni Ottanta sono apparsi A.O. integrati con conversione digitale nello stesso chip e i cosiddetti integrati intelligenti di potenza che combinano, nello stesso chip, funzioni analogiche, fornite dall'A.O., e digitali. Gli A.O. più avanzati sono basati su processi bipolari complementari (tipici dei circuiti digitali) con precisione superiore a 1 mV, una banda passante che arriva a 200-400 MHz e consumi inferiori a 100 mW.
L’Amplificatore elettronico è un circuito fondamentale e di uso estensivo nelle apparecchiature elettroniche, l'ampl. elettronico può essere definito come il circuito che consente di ottenere, a una coppia di terminali d'uscita, una replica amplificata del segnale elettrico applicato alla coppia di terminali d'ingresso, conservandone l'informazione contenuta, p. es. la forma d'onda. Lo schema elettrico di un ampl. può assumere in pratica forme molto differenti, sia per quanto riguarda la configurazione circuitale sia per i componenti utilizzati. In ogni caso gli elementi cui si deve la proprietà dell'amplificazione sono i cosiddetti componenti attivi dell'ampl. (elementi che ricevono energia da fonti esterne diverse dal segnale di ingresso): i tubi a vuoto (triodi, pentodi, tubi a fascio lineare, ecc.) e i dispositivi a semiconduttore (transistori, ecc.). Con l'evoluzione delle tecniche circuitali e dei semiconduttori questi ultimi dispositivi hanno in generale sostituito i tubi a vuoto, salvo in settori molto importanti ma specifici: è il caso dei trasmettitori per radiodiffusione che richiedono potenze elevate (superiori al kW) e delle applicazioni nel campo delle microonde per amplificare segnali ad altissima frequenza (dove, peraltro, si impiegano tubi particolari: klystron, tubi a onda progressiva, ecc.). Versioni moderne degli ampl. a tubi a vuoto (o soluzioni ibride) mantengono anche un ridotto mercato fra gli appassionati di riproduzione sonora, che ravvisano in questi apparecchi proprietà di naturalezza e fluidità che mancano agli ampl. a semiconduttori. Gli ampl. a semiconduttori, basati in una prima fase sui circuiti cablati, poi su circuiti integrati, sono oggi realizzati con circuiti integrati monolitici. I vantaggi, fortemente crescenti con il grado di integrazione, riguardano la flessibilità di impiego, l'abbattimento dei costi, l'ingombro e il peso ridottissimi, la vita dei componenti, il consumodi energia particolarmente basso. Gli svantaggi – essenzialmente la limitata riproducibilità delle caratteristiche dei dispositivi di amplificazione tradizionali e l'elevata deriva termica – sono riducibili fortemente con le tecniche più moderne, mediante circuiti di stabilizzazione, di reazione e metodi di compensazione.
Principi di funzionamento di un amplificatore
Tre sono i tipi di circuito elementare di amplificazione con dispositivo a semiconduttore ( transistore bipolare di tipo pnp). Esaminando il caso a base comune (fig. 1a) polarizzato come indicato e con valori delle tensioni di polarizzazione tali da far funzionare il transistore nella regione attiva, una piccola variazione nella tensione di ingresso (fra base ed emettitore) comporta una variazione relativamente elevata della corrente di emettitore (dato che la barriera di tensione alla giunzione emettitore-base è ridotta dalla polarizzazione). Molto schematicamente una parte rilevante (90-95%) della corrente di emettitore viene raccolta dal collettore e attraversa la resistenza di uscita, inducendo una variazione di tensione proporzionale a quest'ultima. Diverse le amplificazioni in tensione e in corrente delle tre configurazioni: la configurazione a emettitore comune (fig. 1b) è l'unica che presenta amplificazioni superiori all'unità sia di corrente che di tensione e risulta la più versatile; la configurazione a base comune ha amplificazione di corrente inferiore all'unità, mentre l'amplificazione di tensione può assumere valori elevati, per cui si presta a poche applicazioni (amplificatore non invertitore, adattamento di generatori a impedenza interna molto bassa, generatori di corrente costante); la configurazione a collettore comune (inseguitore di emettitore; fig. 1c) presenta amplificazioni di corrente e di tensione vicine all'unità e si presta a fare da cuscinetto fra un generatore ad alta impedenza e un carico a bassa impedenza . Analoghe le configurazioni per i tubi a vuoto dove: a emettitore comune corrisponde il catodo comune; a base comune la griglia comune; a collettore comune l'anodo comune (l'inseguitore di emettitore corrisponde quindi al cathode follower, l'inseguitore catodico). In modo assolutamente generale e prescindendo dal tipo dei componenti attivi e passivi, gli ampl. vengono classificati in quattro categorie, ciascuna caratterizzata dalla tipologia dei circuiti equivalenti di reti con una porta d'ingresso e una di uscita. L'ampl. di tensione è costituito da un generatore di tensione Vu=AVi, la cui tensione di uscita è proporzionale alla tensione del segnale d'ingresso, da una resistenza di ingresso Ri molto elevata, infinita nel caso ideale, e da una resistenza di uscita Ru molto bassa, idealmente nulla. Pertanto la corrente richiesta all'ingresso è modestissima (idealmente nulla) e così la caduta di tensione all'uscita. L'ampl. di corrente ha come elemento essenziale un generatore di corrente proporzionale alla corrente di ingresso Iu=AIi. Gli ampl. di trans-conduttanza (Iu=GmVi) e di transresistenza (Vu=RmIi) generano correnti e tensioni d'uscita proporzionali rispettivamente alle tensioni e correnti d'ingresso; essi assolvono quindi, oltre alla funzione di amplificazione, a quella di conversione di segnali di corrente in segnali di tensione e viceversa. Il comportamento di un ampl. può essere descritto in due modi distinti: in regime sinusoidale e in regime impulsivo; le due descrizioni sono equivalenti e complete, nel senso di comprendere l'intera gamma di segnali d'ingresso ipotizzabili; esse sono ricollegabili tra loro tramite l'algoritmo della trasformata di Fourier. In regime sinusoidale, i segnali di ingresso e d'uscita sono rappresentabili mediante numeri complessi o equivalentemente mediante vettori di fase, cioè fasori. Il loro rapporto, l'amplificazione, è un numero complesso il cui modulo |A| fornisce il fattore per il quale l'ampiezza del segnale è amplificata, e la cui fase fA rappresenta l'angolo elettrico di sfasamento della sinusoide di uscita rispetto a quella d'ingresso . In connessione con questa descrizione, si parla spesso di guadagno G dell'ampl. come della quantità che misura il logaritmo del modulo dell'amplificazione in decibel.
P. es., un'amplificazione (di tensione o di corrente) di uno, mille, un milione corrisponde a un guadagno di 0, 60, 120 dB.
il guadagno diminuisce di 3 dB. Con il termine risposta in frequenza di un ampl. si intende il comportamento dell'amplificazione al variare della frequenza del segnale sinusoidale applicato all'ingresso. Sono individuabili tre regioni per la risposta in frequenza di un ampl.: il centro banda, dove l'amplificazione di un ampl. progettato correttamente è massima e costante, le basse e le alte frequenze, alle quali entrano in gioco le reattanze dei condensatori di accoppiamento e delle capacità parassite, che introducono il taglio nell'amplificazione, cioè ne riducono gradualmente il valore fino ad annullarla. Mentre il taglio alle basse frequenze è relativamente controllabile e, dove occorra, addirittura eliminabile provvedendo a eseguire accoppiamenti diretti in corrente continua, alle alte frequenze il limite è intrinseco alla natura del componente attivo utilizzato. Per frequenza di taglio si intende la frequenza alla quale il modulo dell'amplificazione si è ridotto di un fattore.
rispetto al valore di cen-tro banda (ovvero il guadagno è diminuito di 3 dB). Il prodotto della frequenza di taglio alle alte frequenze e dell'amplificazione a centro banda è grosso modo costante e nei transistori a effetto di campo è dell'ordine di GHz (miliardi di cicli al secondo). In regime impulsivo il comportamento dell'ampl. è caratterizzabile mediante la risposta ottenuta in uscita a un segnale di ingresso con forma d'onda a gradino (che presenta cioè una sola rapida commutazione nel tempo). Si definisce tempo di ritardo tr dell'ampl. il tempo impiegato dal segnale in uscita a raggiungere il 50% del valore finale, rispetto all'istante di applicazione del segnale a gradino all'ingresso, mentre per tempo di salita ts si intende l'intervallo di tempo impiegato dal segnale in uscita per passare dal 10% al 90% del valore finale.
Il condensatore è un altro componente utilizzato è un sistema elettrico costituito da due corpi conduttori, detti armature del c., separati da un dielettrico (ossido metallico, materiale plastico, mica, carta, aria, ecc.). Il c. viene caratterizzato dalla sua capacità C, definita come quantità di carica che si localizza sulle armature del c. per unità di differenza di potenziale applicata a tali armature. Il valore della capaci- tà è funzione della forma, della superficie e della distanza tra le armature e della costante dielettrica del mezzo interposto tra queste. In relazione alle caratteristiche geometriche i c. si suddividono essenzialmente in piani, cilindrici e sferici. Nei c. piani le armature sono uguali e parallele. La capacità è data dalla relazione ,dove e è la costante dielettrica assoluta del mezzo interposto. I c. cilindrici sono costituiti da due cilindri conduttori coassiali, di lunghezza l, tra i quali è interposto il dielettrico. Detti R e r rispettivamente il raggio interno del cilindro esterno e il raggio esterno del cilindro interno.
Nei c. sferici le armature sono due sfere concentriche. Detti R e r il raggio interno della sfera esterna e il raggio esterno della sfera interna.
Il processo di carica di un c. richiede un lavoro elettrico, necessario per la formazione di un campo elettrico tra le armature. Tale lavoro corrisponde all'energia potenziale immagazzinata dal c., la quale viene restituita quando il c. si scarica. Se V è la differenza di potenziale tra le armature, tale energia è pari a < vedi formula > Più c. possono essere colle- gati tra loro in parallelo o in serie. Nel collegamento in parallelo la capacità complessiva è la somma delle singole capacità: Cp=C1+C2+...; nel collegamento in serie la capacità complessiva è l'inverso della somma degli inversi delle singole capacità: < vedi formula > . Oltre che dalla capacità un c. è caratterizzato anche da altri fattori, quali la tensione che può sopportare tra le due armature, l'angolo di perdita, l'avere o meno una polarità stabilita (come p. es. i c. elettrolitici), ecc. Una classificazione dei c. dal punto di vista costruttivo può essere fatta in base al tipo di dielettrico, che può essere un gas (o il vuoto), un liquido o un solido. Nei c. con dielettrico gassoso (in particolare aria) le armature sono generalmente costituite da due serie di lamine piane intercalate e alternativamente connesse tra loro. Di questo tipo sono i c. variabili, nei quali la variazione di capacità viene ottenuta variando la superficie affacciata delle due armature mediante rotazione di un albero che sostiene una delle due serie di lamine. Nei c. a liquido le armature sono disposte in un contenitore riempito con il dielettrico (p. es. olio). Tra i c. con dielettrico solido hanno particolare importanza: i c. ceramici, nei quali il dielettrico è costituito da una miscela di ossidi di titanio e titanati, con costante dielettrica di valore elevato e variabile in relazione alla composizione della miscela, che permette di ottenere capacità elevate con dimensioni ridotte; i c. a mica, nei quali il dielettrico è costituito da fogli sottili di mica, caratterizzati da un basso valore dell'angolo di perdita anche a frequenze elevate e per questo motivo impiegati in circuiti a radiofrequenza; i c. con dielettrico in materia plastica, costituiti da nastri di materia plastica (p. es. mylar) metallizzati e arrotolati. Lo spessore del nastro, che funge da dielettrico, è dell'ordine dei centesimi di millimetro. Su di esso, entro impianti speciali a vuoto, viene deposto uno strato d'alluminio dello spessore di pochi micron. In questi c. richiedono grande cura il sistema di saldatura dei terminali (reofori), che devono essere saldati alle due armature e fuoriescono dal complesso, e l'operazione di arrotolamento, poiché occorre evitare che i vari strati metallizzati vengano a contatto tra loro lungo i bordi. Con questa tecnica, in uso dall'ultimo dopoguerra, si sono ridotte fortemente le dimensioni dei c., specie per uso radiotecnico ed elettronico industriale. Sono pure in commercio, ma in quantità decrescenti, c. arrotolati con armature formate da fogli di alluminio e dielettrico costituito da carta opportunamente trattata, di basso costo ma ingombranti. Si ricordano inoltre i c. elettrolitici, nei quali tra le due armature, generalmente di alluminio o di tantalio, viene costituito, con processo elettrolitico, uno strato sottilissimo di ossido metallico che costituisce il dielettrico. Risultano poco costosi e poco ingombranti, ma debbono essere inseriti con una polarità stabilita, pena la distruzione del c.: infatti lo strato di ossido si conserva se l'armatura ossidata è a potenziale positivo rispetto all'altra e viene rapidamente distrutto se le polarità vengono invertite. I c. vengono usati in elettrotecnica e in elettronica per scopi molteplici. In elettrotecnica gli impieghi più tipici si hanno, p. es., nel rifasamento degli impianti elettrici e nell'avviamento dei motori a induzione monofase; nelle apparecchiature elettroniche vengono usati, p. es., per livellare tensioni pulsanti ottenute da raddrizzatori (c. di livellamento), per accoppiare stadi successivi di amplificatori (c. di accoppiamento), per impedire il passaggio di correnti continue (c. di blocco), ecc.
Gli elemeti com maggior presenza nel nostro circuito sono le resistenze.
Il resistore è un componente che fornisce resistenza in un circuito. Esso differisce da altri componenti che forniscono resistenza per il fatto che e l’unioco componente che e in grado di dare un ben determinato valore di resistenza. Assieme al filo conduttore, il resistore è il componente elettronico più comunemente usato. I resistori sono classificati attraverso le modalità di costruzione: esiste il tipo a composizioe fissa, il tipo a variazione continua (o potenziometri), il tipo regolabile ( trimmer).
L’elemento resistivo interno determina il tipo. Gli elementi resistivi interni possono essere composti da carbone, da deposizione di carbone, o film metallico ( resistori a strato) o da filo a volto. Il resistori sono disponibili in molte dimensioni, la dimensione e determinata dall’entità della potenza elettrica che è necessario dissipare.
I resistori sono classificati tramite la loro resistenza, il valore, la tolleranza e la classe di potenza; inoltre sono codificati tramite un codice a colori, cosiche ogni utente può facilmente identificarli.

Collaudo
Dapprima si fornisce l’alimentazione e si controlla con il multimetro che sugli ingressi e sull’uscita dell’amplificatore si stabiliscano i livelli di tensione corretti cioè di 18V (Vs/2).
Successivamente si invia un segnale sinusoidale di un 1MHz all’ingresso con il generatore di funzione, e con l’oscilloscopio si controllano le forme d’onda nei punti più significativi del circuito, dopo aver chiuso l’uscita su un carico resistivo di 4H.
Si determina cosi il massimo valore del segnale d’ingresso che non provoca evidente distorsione nel segnale d’uscita.
Si visualizza infine il segnale d’uscita quando è collegato all’altoparlante.
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