Come sfruttare al meglio le funzionalità degli amplificatori compositi

Zachariah Peterson
|  Creato: September 24, 2021

Pianeta computer con griglia di circuito

A volte, si ha bisogno di un amplificatore con guadagno alto, rumore basso, alta velocità di risposta e ampia larghezza di banda, tutto contemporaneamente. Ma è difficile raggiungere tutti questi obbiettivi di progettazione con i componenti standard. Una soluzione possibile è quella di utilizzare più amplificatori all'interno di un progetto di amplificatore composito. Con il giusto amplificatore composito, è possibile creare un amplificatore unico capace di sfruttare le migliori caratteristiche di ogni stadio d’amplificazione. Ecco alcuni punti da considerare quando si lavora su un amplificatore composito, così come alcune dritte per valutare il progetto con il giusto pacchetto di strumenti di simulazione PCB.

Capire gli amplificatori compositi

Un amplificatore composito include almeno due amplificatori. Il diagramma elettrico standard prevede due amplificatori operazionali, ma un vero amplificatore composito potrebbe includerne più di due, proprio come un amplificatore in cascata o multistadio. Per questo è importante distinguere tra ciascun tipo di amplificatore per capire più facilmente i potenziali vantaggi di un amplificatore composito.

Diagramma elettrico di un amplificatore composito

L'immagine seguente mostra un esempio di diagramma elettrico per un amplificatore composito. In quest'esempio, ciascun amplificatore è un amplificatore operazionale implementato nel modo più comune. Esiste un feedback condiviso tra l'uscita e il primo amplificatore A1. Il secondo amplificatore A2 ha un proprio circuito di feedback oltre al feedback condiviso per l'intero amplificatore composito. In questo modo, il secondo amplificatore è essenzialmente parte dell'anello di retroazione nel primo amplificatore, che è formato dall'anello A2 → R2 → A1.

Diagramma elettrico di un amplificatore composito

Differenza tra gli amplificatori multistadio, in cascata e compositi

Questi diversi amplificatori possono essere facilmente confusi fra di loro. Un amplificatore multistadio contiene un amplificatore ad ogni stadio, mentre ogni stadio può avere la propria topologia o coinvolgere più amplificatori (incluso un amplificatore composito). Tutti gli amplificatori in cascata sono amplificatori multistadio, ma non è necessariamente vero il contrario. In effetti, i termini "amplificatore multistadio" e "amplificatore in cascata" sono talvolta usati in modo intercambiabile.

La differenza principale tra questi diversi tipi di amplificatori sta nel modo in cui i guadagni (o meglio le funzioni di trasferimento) di ciascun amplificatore si combinano per produrre il guadagno (funzione di trasferimento) dell'intero amplificatore in regime lineare. In un amplificatore in cascata o un amplificatore multistadio, il guadagno totale non è che il prodotto dei guadagni individuali di ciascun amplificatore, sempre che tutti gli stadi di amplificazione operino nei rispettivi regimi lineari. Questo non vale per gli amplificatori compositi. Come possiamo notare dallo schema elettrico precedente, il guadagno totale dipende da come vengono implementati il feedback condiviso e il feedback di secondo stadio. La tabella seguente mostra un breve riassunto di questi diversi tipi di amplificatori e di come si verifica il feedback tra i diversi stadi.

Tipo di amplificatore

Guadagno

Anello di feedback

Composito

Dipende dal design dell'anello di feedback

Più amplificatori sono collegati in serie con un anello di feedback condiviso. Ciascun amplificatore può avere anelli di feedback individuali.

In cascata

Multiplo

Più amplificatori in serie, dove ogni amplificatore ha il proprio anello di feedback e non vi è un feedback condiviso.

Multistadio

Multiplo

Vengono utilizzati più stadi d’amplificazione in serie, dove ogni stadio può avere una topologia diversa.

 

Progettazione di un amplificatore composito

Guadagno-larghezza di banda

Per quanto riguarda la progettazione di un amplificatore composito, ci sono alcuni punti fondamentali da tenere a mente. Il primo è la relazione tra il guadagno composito complessivo dell'amplificatore composito (R1 e R2 nello schema elettrico precedente) e i guadagni individuali di ciascun amplificatore. Sebbene i guadagni siano moltiplicativi, il guadagno di A1 corrisponde a: (guadagno totale)/(guadagno di A2). È quindi determinato interamente dall'uscita di A2 e dall'anello di retroazione condiviso. L'obiettivo nell'impostazione della larghezza di banda del guadagno è d’impedire il picco dei singoli amplificatori, il che impedirà a sua volta il picco nella funzione di trasferimento composito. Il roll-off corrisponde a quello di un amplificatore di ordine superiore (prodotto dell’ordine dei singoli amplificatori).

Doppio stadio

La scelta di un amplificatore a due stadi, di potenza superiore e più veloce del primo stadio aumenterà la stabilità complessiva del progetto. Per esempio, amplificatori come l’ADA4870 sono un’opzione valida in quanto non molto suscettibili alle variazioni del prodotto guadagno-larghezza di banda. Questo, a sua volta, mantiene la larghezza di banda del secondo amplificatore indipendente dal guadagno e può quindi essere regolata col valore dei resistori di feedback. Questa è una variabile importante da regolare per ottimizzare la stabilità del circuito.

Compensazione della frequenza

Uno strumento di simulazione aiuterà a progettare la compensazione della frequenza, garantendo che il progetto dell'amplificatore non presenti instabilità in nessuno dei due stadi. L'obiettivo è quello di mantenere il margine di fase entro i limiti quando si pilota un carico capacitivo. La compensazione della frequenza viene normalmente applicata con condensatori di feedback per riportare il cambio di fase all'input del primo stadio. L'analisi transitoria e l'analisi del diagramma di Bode in una simulazione SPICE con modelli di componenti reali valuteranno la stabilità del circuito dell'amplificatore composito.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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