Generatori di segnali analogici

C5 Revisione: 29/05/2012
Appunti di ELETTRONICA
ITI Elettronica - Classe QUINTA
5. GENERATORI DI SEGNALI ANALOGICI
GENERATORE DI SEGNALE ANALOGICO
Dispositivo elettronico che genera un segnale analogico (o onda sinusoidale). Sfrutta il
principio della reazione positiva.
REAZIONE
Operazione eseguita su dispositivi e sistemi elettronici per il controllo dell’output. E’
indicata anche coi termini retroazione o feedback.
Consiste nel prelevare parte del segnale di uscita e riportarlo in ingresso per confrontarlo
con l’input. Il circuito che la esegue si chiama rete di reazione (retroazione, feedback). La
reazione può essere positiva o negativa.
SCHEMA DI REALIZZAZIONE
I
C
+
R
E
O
DISPOSITIVO A
±
BLOCCO DI REAZIONE
B
O
O
A Dispositivo reazionato
B Blocco di Reazione
C Blocco Comparatore
I Input
E Segnale di Errore
R Segnale di Reazione
O Output
FUNZIONAMENTO
1. Il segnale d’ingresso I è confrontato dal blocco comparatore C col segnale R
generato dal blocco di reazione B.
2. Sulla base del confronto il comparatore C genera un segnale di Errore E passato in
input al dispositivo A. Di solito si pone E = I ± R.
3. L’uscita O generata da A è riportata in input dal blocco di reazione B per il
successivo confronto.
REAZIONE NEGATIVA
Si verifica quando la rete di reazione smorza il funzionamento del dispositivo
rendendolo più controllabile. Per ottenerla si sottrae il segnale di reazione all’input.
Un dispositivo/sistema a reazione negativa è solitamente stabile.
REAZIONE POSITIVA
Si verifica quando la rete di reazione amplifica il comportamento del dispositivo,
rendendolo per contro meno controllabile. Si ottiene sommando il segnale di reazione
all’input.
Un dispositivo a reazione negativa tende all’instabilità.
5.1
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AMPLIFICATORE REAZIONATO
Amplificatore in cui parte del segnale di uscita è riportato in ingresso mediante rete di
reazione.
SCHEMA DI REALIZZAZIONE
vI
vE
C
+
vR
vO
vO
A
±
vO
B
Per un amplificatore reazionato valgono le seguenti considerazioni:
REAZIONE NEGATIVA
Consente di controllare e ridurre il guadagno AR di amplificazione; è utilizzata in gran
parte delle applicazioni elettroniche (Esempio: Amp.Op. a catena chiusa) poiché
garantisce stabilità al sistema.
Per ottenerla si pone vE = vI – vR in uscita dal comparatore:
vI
C
+ –
v
vE
A
vO
vO
vO
R
B
REAZIONE NEGATIVA
vE = vI – vR
AR =
A
1 +B⋅A
REAZIONE POSITIVA
Determina un drastico aumento del guadagno AR e porta a una situazione di
instabilità. Viene sfruttata solo in applicazioni particolari, come i Comparatori e gli
Oscillatori.
E’ ottenuta ponendo vE = vI + vR in uscita dal comparatore:
vI
C
+ +
v
vE
A
vO
vO
vO
R
B
REAZIONE POSITIVA
vE = vI + vR
AR =
A
1 −B⋅A
5.2
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OSCILLATORE
Dispositivo analogico attivo per la generazione di forme d’onde.
E’ tecnicamente un convertitore DC/AC poiché trasforma la tensione continua di
alimentazione in segnale elettrico periodico senza utilizzare segnali d’ingresso.
OSCILLATORE SINUSOIDALE
Dispositivo analogico attivo che genera un segnale sinusoidale di frequenza
predeterminata e non utilizza segnali d’ingresso.
E’ realizzabile con un Amplificatore (ad esempio, Operazionale) reazionato positivamente e
senza ingresso. In tali condizioni il componente tende infatti ad oscillare, generando un
output periodico.
RAPPRESENTAZIONE GRAFICA
vI
vR
vO
vO
A
OSCILLATORE SINUSOIDALE
(AMPLIFICATORE A REAZIONE POSITIVA)
B
vO
CONDIZIONI DI BARKHAUSEN
Perché un circuito oscilli e generi in uscita un segnale sinusoidale privo di distorsione
devono verificarsi due condizioni:
1. |A(jω)·B(jω)| = 1
2. ⦟ A(jω)·B(jω) = 0
Il modulo del prodotto tra A e B deve essere unitario
Lo sfasamento del prodotto tra A e B deve essere nullo
Con: A(jω) Funzione di Trasferimento del blocco Amplificatore A
B(jω) Funzione di Trasferimento del blocco di Reazione B
5.3
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CLASSIFICAZIONE PER ELEMENTI CIRCUITALI
• OSCILLATORI RC
Utilizzano, oltre al dispositivo attivo, Resistori (R) e Condensatori (C).
• OSCILLATORI LC
Utilizzano, oltre al dispositivo attivo, Induttori (L) e Condensatori (C).
• OSCILLATORI AL QUARZO
Utilizzano un cristallo di quarzo piezoelettrico per simulare il comportamento di un
circuito RLC.
Garantiscono ottima stabilità in frequenza e temperatura.
CLASSIFICAZIONE PER FREQUENZA GENERATA
• OSCILLATORI IN BASSA FREQUENZA (BF)
Generano segnali di frequenza non superiore a 100 KHz.
Gli oscillatori RC appartengono in genere a questa categoria.
• OSCILLATORI IN ALTA FREQUENZA (AF)
Generano segnali di frequenza superiore a 100 KHz.
Sono utilizzati in tutte le apparecchiature di telecomunicazione per generare il
segnale portante su cui viaggia l’informazione a lunga distanza.
Gli oscillatori LC appartengono in genere a questa categoria.
5.4
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OSCILLATORI RC
Sono realizzati combinando Resistori (R) e Condensatori (C).
Si utilizzano di solito per applicazioni in bassa frequenza (Oscillatori BF).
Negli schemi α è l’amplificatore reazionato, β il blocco di reazione.
OSCILLATORE A PONTE DI WIEN
E’ costituito da un amplificatore (AmpOp non invertente) e una rete a reazione positiva
contenente un filtro RC passa-banda.
 OSCILLATORE A PONTE DI WIEN
β
AMPLIFICAZIONE:
A=3
FREQUENZA:
f=
1
2π ⋅ RC
α
 OSCILLATORE A PONTE DI WIEN
CON CONTROLLO DELL’AMPLIFICAZIONE
A NTC
 OSCILLATORE A PONTE DI WIEN
CON CONTROLLO DELL’AMPLIFICAZIONE
A RETE DI DIODI
5.5
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OSCILLATORE A SFASAMENTO
E’ realizzato con un amplificatore (AmpOp invertente) e una rete a reazione positiva
formata da tre celle filtranti RC.
La rete di reazione introduce uno sfasamento del segnale di 180°; da qui il nome del
circuito. Lo sfasamento bilancia il comportamento dell’operazionale invertente che di per
se sfasa l’input di 180° e permette di soddisfare la condizione di Barkhausen sulla fase.
α
OSCILLATORE A SFASAMENTO
AMPLIFICAZIONE:
A = −29
FREQUENZA:
f=
1
2π 6 ⋅RC
β
5.6
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OSCILLATORI LC
Sono realizzati combinando Induttori (L) e Condensatori (C).
Si utilizzano usualmente per applicazioni in alta frequenza (Oscillatori AF).
MODELLO DI OSCILLATORE A TRE PUNTI
Gran parte degli oscillatori LC è rappresentabile con un modello costituito da un
amplificatore e tre impedenze (Z1, Z2, Z3) connesse tra i suoi terminali. Questo schema è
noto come oscillatore a tre punti:
 OSCILLATORE LC A TRE PUNTI
MODELLO GENERALE
OSCILLATORE HARTLEY
Oscillatore a tre punti in cui le impedenze laterali Z1 e Z2 sono induttori e quella centrale
Z3 un condensatore.
 OSCILLATORE HARTLEY
SCHEMA GENERALE
A
Una realizzazione pratica per l’utilizzo in alta frequenza prevede un transistor BJT come
amplificatore e un partitore induttivo come rete di reazione:
 OSCILLATORE HARTLEY
IN ALTA FREQUENZA
5.7
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OSCILLATORE COLPITTS
Oscillatore a tre punti in cui le impedenze laterali Z1 e Z2 sono condensatori e quella
centrale Z3 un induttore.
 OSCILLATORE COLPITTS
SCHEMA GENERALE
A
Una realizzazione pratica per l’utilizzo in alta frequenza prevede un transistor BJT come
amplificatore e un partitore capacitivo come rete di reazione:
 OSCILLATORE COLPITTS
IN ALTA FREQUENZA
5.8
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OSCILLATORI AL QUARZO
Utilizzano un cristallo di quarzo piezoelettrico per simulare il comportamento di un
circuito RLC e garantire stabilità nella generazione di frequenza anche al variare della
temperatura.
OSCILLATORE PIERCE
Oscillatore basato su modello a 3 punti Colpitts in cui l’impedenza centrale Z3 (induttore)
è sostituita da un quarzo.
 OSCILLATORE PIERCE
SCHEMA GENERALE
A
 OSCILLATORE PIERCE
IN ALTA FREQUENZA
5.9
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ITI Elettronica - Classe QUINTA
DIMENSIONAMENTO DI OSCILLATORI
5.10