Misura della risposta in frequenza e della distorsione di un amplificatore

Metodologia per la misura della risposta in frequenza

Le misure della risposta in frequenza dei circuiti analogici possono riguardare indifferentemente amplificatori, rivelatori, filtri di banda attivi e passivi, adattatori d’impedenza, trasformatori e quant'altro possa avere, assieme, un ingresso ed un uscita per segnali.

Questo tipo di rilievi non presenta particolari difficoltà se si limita a controllare la risposta del (cp), di figura 1, nella zona passante e nelle zone immediatamente vicine ad essa nelle quali il livello d’uscita del segnale decade da $1/10\ a\ 1/20$ del livello massimo.

figura 1

Per analisi nelle zone d’attenuazione superiori ai valori indicati si incontrano alcuni impedimenti che vedremo come superare secondo le procedure illustrate nel seguente esempio:

Esempio per il rilievo della risposta in frequenza di un amplificatore

Dati di base Supponiamo di operare su di un amplificatore in corrente alternata, avente i seguenti dati di progetto:

• limiti della banda di lavoro:

${-}3\ dB\ ;\ da\ F1=8000\ Hz\ (\pm 500\ Hz)\ a\ F2=12000\ Hz\ (\pm 500Hz)$

• pendenza d’attenuazione fuori banda: $12\ db/ottava$
• guadagno: $G=200\pm 10\%\ (46\ dB\pm 1\ dB)$
• tensione massima d’uscita senza carico $Vumax=8\ Veff.$

Si controlli la risposta tra $4000\ Hz\ e\ 24000\ Hz.$

Preparazione alla misura

La misura deve essere preparata mediante la definizione del livello d’ingresso all'amplificatore.

La valutazione del livello della tensione d’ingresso, per la misura della risposta in frequenza, è opportuno che preveda il più elevato livello possibile, affinché la misura stessa venga meno influenzata da fattori esterni, quali interferenze con la strumentazione od altro, o da fattori interni quale il rumore proprio dell’amplificatore.

Dato che il livello massimo d’uscita dell’amplificatore è di $8\ Veff,$ è ragionevole prevedere di lavorare con una tensione d’uscita pari ad $1/2$ della massima per essere sicuri di eseguire misure in una zona di amplificazione lineare.

Per la tensione d'ingresso $Vi$ si calcola con:

$Vi=(Vumax/2)/G$

dalla quale

$Vi=(8\ Veff/2)/200=20\ mVeff$

Gli strumenti devono essere impostati come segue:

• Il generatore deve essere regolato, inizialmente, alla frequenza di centro banda:

$F=(F1+F2)/2=(8000\ Hz+12000\ Hz)/2=10000\ Hz$ ad un livello di tensione $Vg=2\ Veff$

• L’attenuatore deve essere regolato per un’attenuazione di:

$att=Vg/Vi=2\ Veff/20\ mVeff=100\ volte\ (40\ dB)$

• Il millivoltmetro, disposto per misure di tensioni alternate deve essere preparato o per un fondo scala di $3$ volt, successivamente dovrà essere commutato per un fondo inferiore.

• L’oscilloscopio dovrà essere tarato per visualizzare segnali d’ampiezza di circa $10\ Vpp.$

Predisposizioni alla misura

Nelle misure di risposta in frequenza è indispensabile che il circuito in prova ed i collegamenti tra questo e la strumentazione siano eseguiti con cura.

Dato che il guadagno in gioco nel nostro esempio non è molto elevato, sarà sufficiente controllare che la piastra schermante, sottostante il circuito (cp) di figura 1, sia stata correttamente collegata alla massa dello stesso e che tutti i collegamenti tra gli strumenti e il (cp) siano stati fatti con cavetti schermati.

Esecuzione della misura

La misura deve iniziare collegando il millivoltmetro all'uscita dell’amplificatore avendo cura di collegarvi contemporaneamente anche l’ingresso dell’oscilloscopio.

Dopo questa operazione si deve verificare, su quest’ultimo, che la forma d’onda del segnale d’uscita dall'amplificatore sia netta e precisa, senza ondulazioni anomale o deformazioni di qualsiasi natura.

Una volta eseguito il controllo oscilloscopio, si procede alla lettura della tensione indicata dal voltmetro; supponiamo di leggere: $Vum=4.2\ Veff$

Avendo disposto inizialmente il generatore alla frequenza di $10000\ Hz$ inizieremo la compilazione di una tabella di coppie di valori così come sotto indicato che completeremo con tutte le coppie, frequenza-tensione, ottenute variando la frequenza del generatore da $10000\ Hz\ a\ 24000\ Hz\ e\ da\ 10000\ Hz\ a\ 4000\ Hz$ ad intervalli di $1000\ Hz$ e rilevando le conseguenti tensioni in uscita da (cp):

Si formeranno le numerose coppie di dati, ad esempio:

Frequenza del segnale d’ingresso $10000\ Hz$

Ampiezza del segnale d'uscita in $4.2\ Veff.$

Tra i tutti i punti rilevati della curva di risposta dovremmo aggiungere le due coppie comprendenti le frequenze di taglio $F1\ ed\ F2$ per le quali il livello scende da $4.2\ Veff\ a\ 2.9\ Veff\ (punti\ a\ {-}3\ dB).$

Con tutte le coppie di valori misurate si deve tracciare, su carta millimetrata, una curva rappresentativa della risposta del (cp) per verificarne la conformità dell’andamento con i dati di base.

Osservazione

Se i dati di base prevedessero un controllo della risposta per valori d’attenuazione di molto superiori ad $1/20$ , la misura della tensione d’uscita non sarebbe più fattibile con un millivoltmetro ordinario.

Questo strumento rileverebbe non soltanto il segnale attenuato dalla risposta del (cp), ma anche il rumore di questo, falsando i valori di lettura.

Il problema è superabile soltanto con l’impiego di un voltmetro selettivo invece del millivoltmetro comune; con questo diverso strumento si dovrà, di volta in volta, sintonizzarsi sulla frequenza emessa dal generatore per rilevarla all'uscita di (cp) priva di segnali interferenti grazie alle caratteristiche selettive del nuovo apparecchio.

Metodologia per la misura della distorsione

Le misure della distorsione nei circuiti analogici possono riguardare indifferentemente amplificatori è generatori.

La distorsione è un fenomeno per il quale una forma d’onda che transita in un amplificatore o che è generata da un oscillatore non presenta più la forma originale.

Questa anomalia può essere causata da diversi fattori; i più comuni, per gli amplificatori, sono da ricercare nelle errate polarizzazioni in corrente continua, nell'eccesso d’ampiezza dei segnali, nel cattivo funzionamento di componenti semiconduttori.

Nel caso di distorsione negli oscillatori L.C. si devono cercare, tra le possibili cause, una riduzione anomala del coefficiente di merito del circuito risonante.

Per eseguire questo tipo di misure si possono impiegare adatti strumenti, detti distorsiometri, con i quali si rileva la distorsione globale indicata in percentuale.

Rilievi più complessi si possono eseguire con gli analizzatori di spettro che consentono la visione del segnale e di tutte le componenti armoniche che lo deformano.

Non essendo gli strumenti sopra indicati nella dotazione di un piccolo laboratorio vediamo come operare per avere un’indicazione della distorsione utilizzando mezzi ordinari quali l’oscilloscopio ed una cuffia telefonica.

Per renderci conto dell’insieme delle semplici operazioni per la ricerca della distorsione procediamo all'esercizio seguente che prende in esame un circuito amplificatore (si osservi che i controlli della distorsione negli amplificatori è bene eseguirli al massimo livello d’uscita):

Esercizio d'esempio per la misura indicativa della distorsione

Dati di base

Come controllo finale di collaudo di un amplificatore determinare, al massimo livello d’uscita, la presenza di distorsione in un amplificatore avente le seguenti caratteristiche:

• Guadagno $G=100\ volte\ (40\ dB)$
• Risposta in frequenza $100Hz{-}40000\ Hz$
• Resistenza di carico massima $Rc=2000\ \Omega$
• Tensione massima d’uscita $Vu=5\ Veff.=14\ Vupp$
• Tensioni di alimentazione $Val=\pm 10\ V$

Operazioni di controllo

Dopo aver collegato l’amplificatore secondo lo schema di misura di figura 1 si disponga alla sua uscita una resistenza di carico $Rc=2000\ \Omega$; si regoli il generatore ad un livello d’uscita $Vg=1\ Veff$ ad una frequenza udibile, ad esempio, $400\ Hz.$

Si regoli l'attenuatore per avere $Vu=5\ Veff=14\ Vupp$ come mostra l'onda sinusoidale in alto nella schermata di figura 2

figura 2 (tracciati non in scala tra loro)

Si porti ora in saturazione l’amplificatore in modo che presenti, volutamente, la massima distorsione possibile per limitazione d’ampiezza, si veda forma d'onda nella zona inferiore della schermata di figura 2 ( tracciato non in scala con quello superiore): per ottenere ciò dall'amplificatore predisporre l'attenuatore per un incremento d’ampiezza di $Vupp\leq 20$ pari al rapporto:

$Att=Vg\cdot G/|Val|$

$Att=1Veff\cdot 100/10\ Vcc=10\ volte\ (20\ dB)$

Si visualizzi sull’oscilloscopio la forma d’onda, limitata in ampiezza, presente all’ uscita dell’amplificatore e si eseguano i seguenti controlli:

-verificare che l’amplificatore saturi simmetricamente sia verso + $Val$ che verso –$Val.$

-aumentare l’attenuazione al valore: $Att=Vg\cdot G/Vu$

$Att=1\ Veff\cdot 100/5=20\ volte\ (26\ dB)$

controllare visivamente che non ci siano segni di un’iniziale limitazione d’ampiezza sui picchi del segnale ( se l’amplificatore lavora correttamente tali segni non ci devono essere).

Verificare inoltre che nella forma d’onda non compaiano deformazioni del profilo che dovrà essere di tipo sinusoidale.

-in sostituzione della resistenza di carico $Rc$ collegare, mediante adatto partitore resistivo che non rappresenti un carico superiore a $2000\ \Omega$ , una cuffia telefonica all'uscita dell’amplificatore ed ascoltare la nota del segnale, questa dovrà risultare pura.

Osservazioni

Un controllo del tipo indicato è sufficiente ad evidenziare, soltanto qualitativamente, il comportamento generale dell’amplificatore nei confronti dei fenomeni distorsivi più evidenti; se le misure non evidenzieranno alcuna anomalia potremo ritenere il circuito privo di distorsioni apprezzabili.

Se invece i rilievi indicheranno qualche anomalia si dovrà procedere ad un esame del circuito elettronico per trovare la causa della distorsione.

È chiaro che piccole percentuali di distorsione non possono essere apprezzate dall'indagine illustrata e che se questo fosse l’inderogabile obiettivo della misura sarebbe necessario ricorrere agli strumenti specializzati dei quali si è accennato all'inizio.