rilievo della curva di risposta in frequenza di un amplificatore a bjt

Claudio Fratto
Esercitazione N°5
Laboratorio di Elettronica
18-03-2008
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
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Esercitazione N°5
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18-03-2008
DATI RILEVATI
N° f(kHz) Vin(V) Vout(V)
Av
Av(db)=20 log(Av)
1
0,02
0,02
0,2
10
20
2
0,04
0,02
0,4
20
26,02
3
0,06
0,02
0,562
28,1
28,97
4
0,08
0,02
0,707
35,35
30,97
5
0,1
0,02
0,866
43,3
32,73
6
0,3
0,02
1,63
81,5
38,22
7
0,5
0,02
1,93
96,5
39,69
8
0,7
0,02
2
100
40
9
1
0,02
2
100
40
10
2
0,02
2
100
40
11
3
0,02
2
100
40
12
4
0,02
2
100
40
13
5
0,02
2
100
40
14
6
0,02
2
100
40
15
8
0,02
2
100
40
16
10
0,02
1,87
93,5
39,42
17
15
0,02
1,62
81
38,17
18
20
0,02
1,39
69,5
36,84
19
40
0,02
0,85
42,5
32,57
20
60
0,02
0,62
31
29,83
21
80
0,02
0,37
18,5
25,34
22
100
0,02
0,24
12
21,58
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Esercitazione N°5
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GRAFICO CURVA DI RISPOSTA IN FREQUENZA DI UN
AMPLIFICATORE A BJT AC180 RILEVATA
SPERIMENTALMENTE
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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.
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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.
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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.
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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
ingresso del blocco equivalente all’amplificatore, per rilevare il valore della tensione
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
uscita del blocco equivalente all’amplificatore, per rilevare il valore della tensione
uscita Vout.
di
di
di
di
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.
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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.
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