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Grande e Piccolo segnale & Amplificatore Differenziale

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Grande e Piccolo segnale & Amplificatore Differenziale

Messaggioda Foto Utentespummel » 22 giu 2016, 13:07

Salve a tutti,
avevo una domanda da porre o meglio un dubbio da risolvere..

Con l'analisi di GRANDE segnale ho sempre considerato il tipo di analisi dedita alla ricerca del punto di lavoro del dispositivo elettronico . Questo tipo di analisi viene chiamato anche "Analisi in DC" o "Analisi in continua" proprio perché, come nel caso dei transistori, le correnti e le tensioni sono COSTANTI.

Con l'analisi di PICCOLO segnale ho sempre considerato il tipo di analisi che mi porta a sostituire il circuito con equivalente lineare sotto le dovute e opportune condizioni affinché il segnale sia realmente "piccolo" da poter approssimare il comportamento lineare e rientrano in questo tipo di analisi quindi corrente e tensioni VARIABILI la cui ampiezza può far approssimare in primo ordine il circuito con un equivalente lineare.

Per quelli VARIABILI ma con ampiezza relativamente GRANDE tale da NON poter approssimare il circuito con un equivalente lineare, non ho ancora trovato nessun tipo di analisi.


Il dubbio mi è nato studiando l'amplificatore differenziale, non per quanto riguarda lo studio di piccolo segnale e quindi il guadagno differenziale, il guadagno in modo comune , il CMRR ecc...

Lì ho ben chiaro che quando ho due segnali di ingresso ( quindi segnali variabili nel tempo e non costanti giusto ? ) , posso riscriverli come la somma di un segnale variabile di modo differenziale ed uno di modo comune e si studia il circuito affinchè il segnale di modo comune venga attenuato e amplificato quello differenziale.

Il dubbio mi è nato studiando sulle mie dispense-appunti digitali l''amplificatore differenziale per GRANDI SEGNALI che funge da interruttore elettrico.
In pratica si studia che all'aumentare della differenza dei due segnali di ingresso, la corrente arriva a scorrere tutta su un ramo lasciando a 0 la corrente sull'altro.
Leggendo GRANDI SEGNALI quindi ho subito pensato che si trattasse di un circuito di POLARIZZAZIONE e quindi a segnali costanti, ma ho notato però che all'ingresso ci sono due tensioni v_in che fanno riferimento alla nomenclatura di una tensione variabile .

Quindi ho pensato tra me e me: " Possibile che grandi segnali si intenda anche segnali variabili la cui ampiezza non è tale da poter approssimare il circuito con un equivalente lineare?"

Inoltre, googlando un po' qua e là, ho trovato i seguenti video




e questo sito dell'UNINA
http://www.federica.unina.it/ingegneria/elettronica-analogica/amplificatore-differenziale-msfet-e-bjt/

che spiegano proprio lo studio dell'amplificatore differenziale in CONTINUA e quindi mi fa supporre che le tensioni siano costanti..

La domanda è : c'è un errore sulle mie slide o c'è qualcosa che mi sfugge?
Grazie a tutti!
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[2] Re: Grande e Piccolo segnale & Amplificatore Differenziale

Messaggioda Foto UtenteStokes » 22 giu 2016, 22:23

Quando si parla di piccolo segnale si intende una piccola variazione intorno a un punto di riposo fissato dalla polarizzazione; quando si parla di grande segnale si intende una grossa variazione tale che i transistor escano dalla zona di linearità, cioè non si possono più usare circuiti equivalenti linearizzati ma bisogna ritornare alle effettive relazioni non lineari dei transistor. In questo contesto non consideri polarizzazione+segnale, ma solo gli effettivi valori delle tensioni istante per istante.
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[3] Re: Grande e Piccolo segnale & Amplificatore Differenziale

Messaggioda Foto Utentespummel » 23 giu 2016, 0:48

Ok molte grazie Foto UtenteStokes
ma allora perché ad esempio nel video leggo "Analisi in continua" e vi trovo in ingresso due segnali che sono variabili?
Non dovrebbero essere spenti quando si svolge l'analisi in continua?
E cosa più importante... quando in questi casi come nell'amplificatore differenziale nel caso grandi segnali, si scrive "Segnale di ingresso" si intende variabile o costante?
Perché da quello che ho letto e capito, se i due segnali hanno una differenza maggiore di 1.4 ( VGS-VTN ), la corrente si sposta tutta su uno dei due rami ma non mi è chiaro se vale sia per segnali variabili che per quelli costanti..

PS sto un po' impazzendo.. ?%
Da wikipedia pagina Large Signal

Large-signal modeling is a common analysis method used in electrical engineering to describe nonlinear devices in terms of the underlying nonlinear equations. In circuits containing nonlinear elements such as transistors, diodes, and vacuum tubes, under "large signal conditions", AC signals have high enough magnitude that nonlinear effects must be considered.

"Large signal" is the opposite of "small signal", which means that the circuit can be reduced to a linearized equivalent circuit around its operating point with sufficient accuracy.

Differences between Small Signal and Large Signal
A small signal model takes a circuit and based on an operating point (bias) and linearizes all the components. Nothing changes because the assumption is that the signal is so small that the operating point (gain, capacitance, etc.) doesn't change.

A large signal model, on the other hand, takes into account the fact that the large signal actually affects the operating point, as well as that elements are non-linear and circuits can be limited by power supply values. A small signal model ignores simultaneous variations in the gain and supply values.


Qui afferma che è un segnale AC.

Nella pagina Small Signal
Variable notation[edit]
Large-signal DC quantities are denoted by uppercase letters with uppercase subscripts. For example, the DC input bias voltage of a transistor would be denoted VIN
.
Small-signal quantities are denoted using lowercase letters with lowercase subscripts. For example, the input signal of a transistor would be denoted as vin
.
Total quantities, combining both small-signal and large-signal quantities, are denoted using lower case letters and uppercase subscripts. For example, the total input voltage to the aforementioned transistor would be vIN
.


Qui leggo che è un segnale DC...

Sono fritto :mrgreen: non ci sto capendo più nulla
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[4] Re: Grande e Piccolo segnale & Amplificatore Differenziale

Messaggioda Foto UtenteIanero » 23 giu 2016, 8:57

spummel ha scritto:Con l'analisi di GRANDE segnale ho sempre considerato il tipo di analisi dedita alla ricerca del punto di lavoro del dispositivo elettronico.

No, quella si chiama analisi del punto di lavoro.

Questo tipo di analisi viene chiamato anche "Analisi in DC" o "Analisi in continua" proprio perché, come nel caso dei transistori, le correnti e le tensioni sono COSTANTI.

Stiamo parlando sempre dell'analisi del punto di lavoro.
In tal caso sì, corretto.

Con l'analisi di PICCOLO segnale ho sempre considerato il tipo di analisi che mi porta a sostituire il circuito con equivalente lineare sotto le dovute e opportune condizioni affinché il segnale sia realmente "piccolo" da poter approssimare il comportamento lineare e rientrano in questo tipo di analisi quindi corrente e tensioni VARIABILI la cui ampiezza può far approssimare in primo ordine il circuito con un equivalente lineare.

Esatto.

Per quelli VARIABILI ma con ampiezza relativamente GRANDE tale da NON poter approssimare il circuito con un equivalente lineare, non ho ancora trovato nessun tipo di analisi.

Infatti non si fa mai a mano perché verrebbero fuori quasi sempre equazioni non risolvibili analiticamente in forma chiusa o comunque di una complessità esplosa.
Si utilizzano programmi come SPICE che forniscono il risultato operando numericamente.
A questo livello di analisi il calcolo simbolico puoi dimenticartelo (a parte circuiti basilari come l'emettitore comune e compagnia varia).
In realtà se operassi davvero utilizzando le equazioni non approssimate al primo ordine, non avresti bisogno neanche dell'analisi in DC, dopo ti faccio un esempio completo su un circuitino elementare.

Il dubbio mi è nato studiando l'amplificatore differenziale, non per quanto riguarda lo studio di piccolo segnale e quindi il guadagno differenziale, il guadagno in modo comune , il CMRR ecc...
Lì ho ben chiaro che quando ho due segnali di ingresso ( quindi segnali variabili nel tempo e non costanti giusto ? ) , posso riscriverli come la somma di un segnale variabile di modo differenziale ed uno di modo comune e si studia il circuito affinchè il segnale di modo comune venga attenuato e amplificato quello differenziale.

Diciamo che a priori non è detto che ti serva sempre fare questo, ma nella maggior parte dei casi hai ragione.


Il dubbio mi è nato studiando sulle mie dispense-appunti digitali l''amplificatore differenziale per GRANDI SEGNALI che funge da interruttore elettrico.
In pratica si studia che all'aumentare della differenza dei due segnali di ingresso, la corrente arriva a scorrere tutta su un ramo lasciando a 0 la corrente sull'altro.


Qui siamo passati all'elettronica digitale, dove invece di avere piccole variazioni, hai segnali che provocano sempre o saturazione o spegnimento dei transistor, quindi siamo fuori dalla logica analogica.

Attento a distinguere concettualmente il "Grandi segnali" nel contesto analogico e il "Grandi segnali" nel contesto digitale.
Nel primo caso come ti ho già detto ti faccio un esempio tra poco (si tratta di studiare il circuito non approssimandolo come lineare), mentre nel secondo anche quelle equazioni smettono di valere (ad esempio l'esponenziale del BJT) ma tutto funziona "a gradino" (acceso o spento).

Leggendo GRANDI SEGNALI quindi ho subito pensato che si trattasse di un circuito di POLARIZZAZIONE

Errore, come ti ho detto sopra.

e quindi a segnali costanti, ma ho notato però che all'ingresso ci sono due tensioni v_in che fanno riferimento alla nomenclatura di una tensione variabile .

Infatti, come deve essere..

Quindi ho pensato tra me e me: " Possibile che grandi segnali si intenda anche segnali variabili la cui ampiezza non è tale da poter approssimare il circuito con un equivalente lineare?"

Esattamente.
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[5] Re: Grande e Piccolo segnale & Amplificatore Differenziale

Messaggioda Foto UtenteIanero » 23 giu 2016, 10:00

Vediamo un esempio su un emettitore comune:



facciamo la famosa analisi a grande segnale utilizzando le equazioni non approssimate (tolgo solo l'effetto early) e vediamo cosa viene fuori.

Per l'uscita:

Vout = Vcc-I_CR

ovvero:

Vout = Vcc-I_Se^{V_{be}/V_T}R

Vout = Vcc-I_SR \left ( 1+ \frac{V_{be}}{V_T} + \frac{\left ( \frac{V_{be}}{V_T} \right )^2}{2} + \frac{\left ( \frac{V_{be}}{V_T} \right )^3}{6}+...  \right )

Supponiamo che il segnale in ingresso sia:

V_s=A \cos( \omega t)

Abbiamo allora nell'espressione tra parentesi un termine che fornisce una continua e un termine del primo ordine:

\frac{V_{be}}{V_T} = \frac{A \cos( \omega t)}{V_T}

che è l'unico contributo di cui tieni conto quando applichi il modello di piccoli segnali.
E gli altri contributi?
Li trascuri, vediamo però quanto contribuirebbero.

Abbiamo un contributo al secondo ordine:

\frac{\left ( \frac{V_{be}}{V_T} \right )^2}{2} = \frac{A^2 \cos^2( \omega t)}{2V_T^2} = \frac{A^2 ( \frac{1+ \cos(2 \omega t)}{2})}{2V_T^2}

che fornisce un segnale in uscita a frequenza doppia che si somma a quello alla frequenza desiderata! (primo ordine)

Abbiamo ottenuto quella che si chiama una "distorsione armonica".
Vediamo che errore commettiamo quando lo trascuriamo (confrontando le ampiezze di picco):

HD_2=\frac{\frac{A^2}{4V_T^2}}{\frac{A}{V_T}}=\frac{A}{4V_T}

dove HD sta per Harmonic Distorsion: più è ampio il segnale di ingresso, meno la posso trascurare (ovvero meno è valido il modello di piccolo segnale).

Vediamo quella del terzo ordine e poi basta.

\frac{\left ( \frac{V_{be}}{V_T} \right )^3}{6} = \frac{\left ( \frac{A \cos(\omega t)}{V_T} \right )^3}{6}=\frac{A^3}{6V_T^3} \left ( \frac{3 \cos(\omega t) + \cos(3 \omega t)}{4} \right )

C'è un coseno a frequenza tripla, vediamo quanto distorce:

HD_3=\frac{\frac{A^3}{24V_T^3}}{\frac{A}{V_T}}=\frac{A^2}{24V_T^2}

e così via...
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[6] Re: Grande e Piccolo segnale & Amplificatore Differenziale

Messaggioda Foto Utentespummel » 23 giu 2016, 16:43

Grazie mille mi hai risolto un sacco di dubbi!
Quindi GRANDI SEGNALI è diverso da circuito di polarizzazione...
Quando si fa il circuito di polarizzazione si intende analisi in continua dove si prefissa con g.ri costanti il punto di lavoro.
Per GRANDI SEGNALI ANALOGICI invece, debbo studiarmi il circuito così com'è tenendo conto delle relazioni non-lineari .

Infatti come mi hai anche fatto vedere, quando si linearizza, logicamente si perde qualche informazione ma con ampiezze piccole, l'errore è relativamente piccolo.

Quindi l'analisi del BJT o MOSFET per grandi segnali ANALOGICI che porta a un comportamento come interruttore,è un problema di analogica digitale o analogica? Perché da quel che vedo gli ingressi sono GRANDI SEGNALI VARIABILI, ma l'uscita invece porta alla saturazione della corrente quindi mi viene da pensare a un comportamento simile a quello digitale dove si ha o un valore alto o un valore basso.

Foto UtenteIanero ti ringrazio davvero tanto
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[7] Re: Grande e Piccolo segnale & Amplificatore Differenziale

Messaggioda Foto UtenteIanero » 23 giu 2016, 16:56

Quindi l'analisi del BJT o MOSFET per grandi segnali ANALOGICI che porta a un comportamento come interruttore,è un problema di analogica digitale o analogica? Perché da quel che vedo gli ingressi sono GRANDI SEGNALI VARIABILI, ma l'uscita invece porta alla saturazione della corrente quindi mi viene da pensare a un comportamento simile a quello digitale dove si ha o un valore alto o un valore basso.


Non ho capito bene cosa vuoi dire.
In ogni caso un segnale può essere piccolo (modello lineare valido), grande (modello lineare non valido, uso equazioni non approssimate, ovvero ad esempio l'esponenziale del transistor bipolare) o "troppo" grande (anche i vincoli di validità dell'equazione non approssimata cessano di valere e il transistor va in zona di saturazione o interdizione, ovvero funziona come interruttore).
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[8] Re: Grande e Piccolo segnale & Amplificatore Differenziale

Messaggioda Foto Utentespummel » 23 giu 2016, 17:20

Mi riferisco a questa situazione ad esempio..
http://www.itimonaco.it/fionda/soluz_circ_integr/sol_cir_indici/sol_circ_paragrafi/sol_cir_2_1_2.htm

Sul mio libro questa spiegazione è in elettronica digitale ...
Mi chiedevo : questo comportamento da interruttore, lo si ha quando si analizza il circuito per grandi segnali in cui la differenza tra i segnali in ingresso è maggiore di 4/5 VT circa 100mV...

Ma questi benedetti GRANDI SEGNALI sono entrambi variabili o costanti?
Il comportamento è valido per entrambi i casi?
Ho provato a fare il seguente circuito su un simulatore ma mettendo in ingresso ad esempio un segnale del tipo
0.3cos(wt) e 0.5cos(wt), il funzionamento da interruttore non lo vedo proprio :mrgreen:
eppure il segnale differenziale vd ha come ampiezza 200mV!!

PS molto probabilmente sbaglio qualcosa con il simulatore... :mrgreen:
Penso di aver capito che si parla sempre ed esclusivamente di grandi segnali variabili
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[9] Re: Grande e Piccolo segnale & Amplificatore Differenziale

Messaggioda Foto UtenteIanero » 23 giu 2016, 18:07

spummel ha scritto:Sul mio libro questa spiegazione è in elettronica digitale ...
Mi chiedevo : questo comportamento da interruttore, lo si ha quando si analizza il circuito per grandi segnali in cui la differenza tra i segnali in ingresso è maggiore di 4/5 VT circa 100mV...


Per capire quando un BJT va in saturazione non devi vedere solo il potenziale di base, devi vedere la differenza di potenziale tra il collettore e l'emettitore e controllare che questa non vada sotto circa 0.2V ( se ci va entri in saturazione, ovvero polarizzi direttamente la giunzione base collettore ).

Ma questi benedetti GRANDI SEGNALI sono entrambi variabili o costanti?
Il comportamento è valido per entrambi i casi?

Sì.
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[10] Re: Grande e Piccolo segnale & Amplificatore Differenziale

Messaggioda Foto Utentespummel » 23 giu 2016, 18:09

Si Foto UtenteIanero molto probabilmente sarà per quello

Comunque io ho capito che mi sono fatto imbambolare da questi tipi di analisi però anche sul WEB non è che la gente sia tanto chiara...


Ho rifatto un giro di video / pdf per controllare che tutto mi tornasse..
La spiegazione che mi hai dato tu,Foto UtenteIanero penso sia quella giusta ma come ben vedi, nel primo video che ho inserito, il signore ha come titolo di YOUTUBE "Analisi in continua" mentre ciò che sta facendo è una analisi di grandi segnali..
Lo stesso qui
https://answers.yahoo.com/question/index?qid=20111030200715AAHNUIK
la best answer dice che la l'analisi di grande segnale è l'analisi in DC ovvero in continua..
Quando da come mi hai detto sopra tu, sono due cose differenti..
Lo stesso in questo pdf pag.7
http://users.libero.it/sandry/download/Elettronicadownload/ElettrAppl11a.pdf

L'unico con cui riesco a confrontarmi pienamente è questo sito web
http://www.itimonaco.it/fionda/soluz_circ_integr/sol_cir_indici/sol_circ_paragrafi/sol_cir_213_1.htm

che studia separatamente il circuito per grandi segnali, quello in continua ( spegnendo i g.ri di segnali in ingresso) e quella di piccolo segnale
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