Amplificazione, transconduttanza e transresistenza

Una panoramica delle varie forme di amplificazione nell’elettronica analogica.

Un amplificatore elettronico è un dispositivo capace di aumentare la potenza di un segnale. Il rapporto tra il segnale d’uscita e quello d’ingresso prende il nome di amplificazione, che è definita come: \[A_x\equiv \frac{x_o}{x_i}\] dove \(x_o\) è il segnale d’uscita e \(x_i\) il segnale d’ingresso.

I segnali di ingresso e di uscita possono essere sia tensioni che correnti, per cui è possibile definire quattro diverse forme di amplificazione:

  1. l’amplificazione in tensione, se sia il segnale d’ingresso che quello d’uscita sono tensioni;
  2. l’amplificazione in corrente, se sia il segnale d’ingresso che quello d’uscita sono correnti;
  3. la transconduttanza, se il segnale d’ingresso è una tensione e quello d’uscita è una corrente;
  4. la transresistenza, se il segnale d’ingresso è una corrente e quello d’uscita è una tensione.

Da un punto di vista dimensionale, l’amplificazione in tensione e in corrente possono essere espressi come numeri puri, mentre la transconduttanza e la transresistenza sono espresse rispettivamente in \(\mathrm{S}\) (oppure in \(\mathrm{\Omega^{-1}}\)) e in \(\mathrm{\Omega}\).

 

Amplificazione Definizione Dimensioni Unità di misura
Amplificazione in tensione \(A_v\equiv \dfrac{v_o}{v_i}\) \(\mathrm{\left [\dfrac{V}{V}  \right ]}\) Adimensionale
Amplificazione in corrente \(A_i\equiv \dfrac{i_o}{i_i}\) \(\mathrm{\left [\dfrac{A}{A}  \right ]}\) Adimensionale
Transconduttanza \(g_m\equiv \dfrac{i_o}{v_i}\) \(\mathrm{\left [\dfrac{A}{V}  \right ]}\) \(\mathrm{S}\) oppure \(\mathrm{\Omega^{-1}}\)
Transresistenza \(r_m\equiv \dfrac{v_o}{i_i}\) \(\mathrm{\left [\dfrac{V}{A}  \right ]}\) \(\mathrm{\Omega}\)

Si parla infine di amplificazione in potenza quando ci si riferisce al rapporto tra la potenza del segnale d’uscita e quella del segnale d’ingresso. Quest’amplificazione ha le dimensioni di \(\mathrm{\left [W/W\right ]}\) e pertanto può essere espressa come numero adimensionale.

Inversione di fase e attenuazione

Molti amplificatori impiegati in elettronica determinano un’inversione del segnale d’uscita, che viene quindi a trovarsi in opposizione di fase con quello d’ingresso. In tal caso, si ottiene un valore di amplificazione negativo.

Quando il segnale d’uscita è inferiore al segnale d’ingresso, allora il valore di amplificazione non raggiunge l’unità. Si parla quindi di attenuazione.

L’amplificazione nei transistori

Anche se si è abituati a ragionare prevalentemente in termini di amplificazione in tensione, tutte queste forme d’amplificazione possono essere comunemente riscontrate nei dispositivi elettronici.

Per esempio, il JFET usato nella configurazione a source comune è un classico dispositivo funzionante in transconduttanza, poiché converte una tensione d’ingresso (la \(v_{GS}\)) in una corrispondente corrente d’uscita (la \(i_{D}\)). Questa corrente d’uscita viene poi convertita nuovamente in una tensione dal resistore di drain (\(R_D\)), facendo in modo che l’intero circuito sia di fatto un amplificatore in tensione.

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Fig. 1 – La tensione d’ingresso \(v_{GS}\) viene convertita nella corrente d’uscita \(i_D\). Il resistore \(R_D\) provvede a riconvertire questa corrente nella tensione d’uscita \(v_o\).

Il BJT nella configurazione ad emettitore comune è invece un dispositivo che funziona in amplificazione di corrente, perché converte una corrente d’ingresso (la \(i_B\)) in una corrente d’uscita (la \(i_C\)). Anche in questo caso, la corrente d’uscita viene convertita in una tensione dal resistore di collettore (\(R_C\)).

Entrambi i transistori forniscono all’uscita una corrente, che viene convertita in una tensione semplicemente usando un resistore. Si potrebbe quindi pensare che il resistore funzioni in transresistenza (perché converte una corrente d’ingresso in una tensione d’uscita), ma non essendo chiaramente in grado di fornire un aumento di potenza del segnale non è possibile considerarlo un amplificatore.

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Autore: bsproj

Amante della musica, appassionato di progettazione elettronica.

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