Risposta in frequenza di un amplificatore (post molto matematico)

Sto studiando la risposta in frequenza degli amplificatori. Sul libro Sedra-Smith leggo che, data la funzione di trasferimento dell'amplificatore T(s)=Vo(s)/Vi(s), ottenuta applicando la trasformata di Laplace alla risposta impulsiva dell'amplificatore oppure con il concetto di impedenza, per passare alle *frequenze fisiche* (dunque per ottenere T(w), trasformata di Fourier ), basta porre s=jw, dove j è l'unità immaginaria.

Ora:

1) Che si intende precisamente per *frequenze fisiche* ? Ce ne sono di "immaginarie" ?

2) Ho studiato sia la trasformata di Laplace sia quella di Fourier e so che

*non* si può passare da quella di L. a quella di F. ponendo semplicemente s=jw, *se non quando* l'asse immaginario non è parte della striscia di convergenza della trasformata di Laplace. Come si giustifica questo fatto? In elettronica non si usano in teoria anche segnali come seni e coseni che non sono trasformabili secondo Laplace (bilateralmente, intendo).

3) Non mi capacito di un esempio proposto sul libro prima citato (pagg.

31-32), che ripropongo brevemente: Si guarda ad un amplificatore come ad un sistemi LTI e si pone in ingresso a questo il segnale v_i(t)= A_i * sin (w*t) e si trova in uscita il segnale v_o(t)= A_o(w) * sin (w*t + phi). Questa cosa è ovvia per chi conosce la risposta di un sistema LTI ad un ingresso sinusoidale. Ora, ho provato a fare un'altra cosa che, all'inzio, mi era sembrata ovvia. Ho calcalato le trasformate di Fourier del segnale di ingresso e di quello di uscita e le ho denotate con V_i(w) con V_o(w). Già a cominciare da qui ho avuto qualche problema perché avevo un abuso di notazione in quanto la variabile w era già stata utilizzata nelle espressioni nel dominio del tempo, ma ho risolto sostituendo con w_0. Sono comparse naturalmente le delte di Dirac e tutto il cucuzzaro. Il fatto è che mi sarei aspettato che T(w) = V_o(w) / V_i(w) fosse uguale a (A_o / A_i)*e^(j*phi) eppure mi ritrovo in un casino... dove sbaglio?

Grazie per ogni eventuale delucidazione. Sto sbattendo sul problema 3) ormai da due giorni. Mi pare una stupidaggine. Dev'essere il fatto della notazione che mi fa ingrippare.

Sam_X

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Sam_X
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[...]

E' un modo per dire che si e' interessati alle frequenze del tipo s=3Djw con w *reale*. Eviterei di chiamarle "frequenze fisiche" perche' e' possibile, in alcuni contesti, dare significato fisico anche alle w complesse.

he

te

i
?

Hai ragione. Viene in nostro aiuto il fatto che l'amplificatore che stai trattando sia *stabile*, quindi esistono le trasformate di Fourier di ingresso ed uscita e le loro inverse. Se l'amplificatore fosse *instabile*, questo non sarebbe vero.

Nei tuoi segnali la w e' un *parametro assegnato*, quindi riscriverei cosi':

1) v_i(t) =3D A_i * sin (w_0*t) 2) v_o(t) =3D A_o(w_0) * sin (w_0*t + phi)

Ora, e' noto che un anticipo di T nel dominio del tempo corrisponde al prodotto per e^jwT nel dominio delle frequenze.

Riscriviamo allora la 2) in questo modo:

2)v_o(t) =3D A_o(w_0) * sin (w_0*(t + phi/w_0))

ovvero T=3Dphi/w_0

Allora il rapporto tra le trasformate vale A_o/Ai * e^j(w/w_0)*phi

-- M.

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maestrale1971

"maestrale1971" ha scritto:

Mi puoi dare un riferimento, ma giusto giusto per sapere di cosa si tratta riguardo a queste w complesse.

Anche qui se proprio puoi un piccolissimo esempio oppure un riferimento.

E questo è vero in parte. Nel senso che il libro parte considerando un w assegnato e trae le sue conclusioni, ma poi "immagina" di farlo variare proprio per avere la funzione "risposta in frequenza" dell'ampli. E' a causa di questa "mistificazione" che mi sono inceppato poi nel calcolo delle trasformate di Fourier.

E qui mi ritrovo, grazie. Il problema è che in realtà io pensavo di dover giungere a (*) T(w)= A_o(w)/A_i * e^( j*phi(w) ) Invece mi trovo con quello che scrivi tu, cioè, per la precisione, (**) T(w)= A_o(w_0)/A_i * e^ ( j*(w/w_0)*phi(w_0) )

Ma il tutto mi pare essere frutto più di una notazione malefica... perché siccome, *in fondo* w_0 varia proprio come w, si può sostituire w al posto di w_0 nella (**) per ritrovare la (*).

Però non so dare rigore a questo fatto, o meglio forse non ci arrivo con la mente. Spero che il discorso sia chiaro e che tu o altri possiate rendermelo ancora più evidente.

Grazie e scusate per la lungaggine su un argomento così "semplice".

Sam

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Sam_X
[...]

a

Ecco un semplice esempio. Tu sai che l'impedenza di un circuito LC serie ideale (cioe' senza resistenza) si annulla alla pulsazione w_0=3D1/sqrt(LC). Invece, in un circuito RLC serie, alla pulsazione 1/sqrt(LC) l'impedenza e' reale e vale R. Ci possiamo chiedere: esiste per il circuito RLC un particolare valore di w che annulla l'impedenza? Si tratta di risolvere l'equazione:

jwL + 1/(jwc) + R =3D 0

Ovviamente non ammette soluzioni in campo reale, ma le ammette in campo complesso. Che significato ha questa w complessa? Se fai i conti (molto semplici) potrai distinguere 3 casi:

1) due soluzioni immaginarie distinte (caso sovrasmorzato) 2) due soluzioni immaginarie coincidenti (caso critico) 3) due soluzioni con egual parte immaginaria e parti reali uguali ed opposte (caso sottosmorzato)

Le parti immaginarie sono i coefficienti di smorzamento, le parti reali sono le pulsazioni dei segnali smorzati.

Le w complesse puoi anche introdurle come estensione alla trasformata di Fourier. Si dimostra che, dato un segnale limitato causale e a modulo integrabile, la relativa trasformata di Fourier e' prolungabile analiticamente al semipiano complesso con w a parte immaginaria negativa.

Un amplificatore per funzionare correttamente dev'essere stabile, cioe' i poli della funzione di trasferimento devono essere a parte reale negativa. Questo equivale a dire che la risposta all'impulso e' a modulo integrabile, e quindi ammette trasformata di Fourier. Dato che la risposta all'impulso e' anche causale, il dominio della sua trasformata di Laplace contiene il semipiano complesso delle s a parte reale maggiore o uguale a zero, ed in particolare contiene l'asse immaginario. In queste condizioni puoi passare da Laplace a Fourier ponendo s=3Djw.

w

Anche se il parametro varia, e' comunque un parametro assegnato, nel senso che per ogni w_0 assegnato, esiste la relativa v(t), che e' funzione del *solo tempo*. Altrimenti sarebbe stato v(t, w_0).

=3D

In questa relazione w non e' la variabile del dominio della trasformata di Fourier, ma e' il valore w_0, da te ribattezzato w ed usato per definire due nuove funzioni: A_o(w) e phi(w).

Limitiamoci al solo semiasse positivo: w, w_0 > 0. La T(w), essendo il rapporto tra due delta di dirac centrate in w_0, e' definita solo per w=3Dw_0 Cioe' si ha T(w_0)=3DA_o(w_0)/A_i*e^(j*phi(w_0)) Quindi per conoscere la T(w) non basta conoscere la risposta ad una sola sinusoide, ma devi conoscere la risposta per *tutti* gli w_0 reali positivi (T(-w) lo ricavi dalla simmetria Hermitiana). Puoi vederla anche come rapporto tra i *fasori associati* ai segnali sinusoidali in ingresso e uscita; se X(w_0) e Y(w_0) sono i fasori associati ai segnali sinusoidali in ingresso ed uscita a frequenza w_0, vale la relazione:

T(w_0) =3D Y(w_0)/X(w_0)

-- M.

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maestrale1971

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