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Accoppiamento fra vari stadi di un amplificatore

Indice Argomento Corrente
1) Prefazione
2) Accoppiamento Capacitivo
3) Accoppiamento Diretto
4) Accoppiamento a Trasformatore

Prefazione

Per accoppiamento si intende il collegamento fra vari stadi di un amplificatore.
Per quello che riguarda gli stadi preamplificatori, il segreto di un buon accoppiamento risiede nel non caricare mai lo stadio precedente con l'impedenza di ingresso di quello successivo, mentre negli amplificatori di potenza ci deve essere il miglior adattamento di impedenza possibile per trasferire quanta più potenza possibile sul carico.
L'accoppiamento fra gli stadi di un amplificatore concorre a determinare la banda passante dello stesso.

Accoppiamento Capacitivo

I principali accoppiamenti in uno stadio amplificatore, sono in ingresso e in uscita.
Sia in ingresso, nel caso della polarizzazione della griglia, sia in uscita sull'anodo o sul catodo abbiamo una componente continua sovrapposta ad una componente alternata.
A noi interessa solo quest'ultima (la componente alternata) che rappresenta il nostro segnale da amplificare o amplificato, quindi dobbiamo rimuovere la componente continua.
In questo caso usiamo un accoppiamento capacitivo e realizziamo un filtro passa-alto che trasferisce solo la componente alternata.
Quello che stiamo implementando è un condensatore di accoppiamento che forma un filtro passa-alto con la resistenza di carico.

Accoppiamento capacitivo fra due stadi valvolari

Nel disegno a sinistra è riprodotto lo schema di un preamplificatore a due stadi con accoppiamento a condensatore.
Il primo gruppo condensatore resistenza (CR) è composto da Ci-Ri, il secondo da C1-R2 e il terzo da Cu-Rii, dove Rii è la resistenza d'ingresso dello stadio che segue (idealmente collegata fra Vu e massa).

Nel dettaglio ponendo dei valori (di componenti che abbiamo nel cassetto) verifichiamo che vadano bene tenendo conto delle seguenti regole:
- La frequenza di taglio come si evince dalle formule relative ai filtri Ft=1/2pi RC
- R2 >> R4 (R2 deve essere almeno 10volte R4 per non alterare la retta di carico dinamica.
- C1 è sottoposto alla tensione anodica, quindi deve reggere una tensione almeno uguale a +Vcc.
- C1>>V2Cgc(capacità parassita griglia catodo di V2) per evitare che quest'ultima possa bypassare a massa il segnale.
- Ponendo R2=1MegaOhm e C1=100nanoFarad si ottiene una frequenza di taglio di 1,5Hz quindi più che buona.
Questo valore si può applicare anche a Ci-Ri ma non a Cu-Rii perché ci è ignota l'impedenza di ingresso dello stadio che segue.
- Ricordarsi che le pendenze di più filtri posti in serie si sommano, quindi in questo caso abbiamo ben tre celle di filtro in serie ed è bene che abbiano una frequenza di taglio molto bassa per evitare che possano in qualche modo interferire con la banda passante che vogliamo ottenere.

Accoppiamento capacitivo con grid stopper

Sovente in un accoppiamento di tipo capacitivo possiamo incontrare il seguente caso costituito da una resistenza detta "grid stopper" (Rgs) messa in serie al condensatore (C1), come nel disegno a sinistra.
Questa resistenza di valore adeguato sfrutta la capacità parassita griglia-catodo (Cgk) della valvola per realizzare un filtro passa basso che previene possibile autooscillazioni ad alta frequenza dell'amplificatore.
Per calcolare il filtro si può misurare il reale valore della capacità parassita oppure ricavare il valore dal datasheet della valvola.

Accoppiamento Diretto

E' usato raramente e solo per ottenere dei risultati particolari sopratutto per quanto concerne la frequenza minima della banda passante di un amplificatore.
Con l'accoppiamento diretto si eliminano anche le rotazioni di fase che si manifestano in prossimità della frequenza di taglio di un filtro RC, e si evitano dei problemi con la controreazione.
Un importante difetto di questo tipo di accoppiamento si manifesta con l'invecchiamento dei componenti che variano le loro caratteristiche, ed essendo accoppiati direttamente, non rimane isolato al singolo stadio come avviene per esempio con l'accoppiamento capacitivo, ma comporta una variazione dei punti di lavoro di tutto il complesso.
Questa disposizione circuitale merita di essere menzionata, per conoscenza, ma implica una complessità che in questi testi mirati al principiante vorremmo evitare.

Accoppiamento diretto di due stadi con valvole termoioniche

Nell'immagine a sinistra due triodi accoppiati direttamente.
Al di la di questa disposizione circuitale si tratta di una soluzione problematica in quanto la griglia di controllo e l'anodo hanno sempre tensioni di funzionamento non compatibili.
Questo complica oltremodo i circuiti, che divengono più costosi e molto più complessi, alle volte senza avere benefici effettivi.
In questo caso la prima valvola funge da amplificatore in tensione, mentre la seconda da adattamento di impedenza, infatti essendo collegata come inseguitore catodico la sua amplificazione è minore di 1.

Accoppiamento a Trasformatore

Questo tipo di accoppiamento è molto comune per adattare l'impedenza delle valvole finali alle casse acustiche ed è universalmente noto nel mondo dell'audio valvolare.
Tuttavia questo tipo di accoppiamento può venire usato anche per accoppiare stadi preamplificatori, tuttavia in questo ambito non è migliore dell'accoppiamento capacitivo, introducendo distorsioni legate ai cicli di isteresi e alla non linearità dei trasformatori.
Invece per quello che riguarda l'accoppiamento dei diffusori (che notoriamente hanno impedenze molto basse 4-8 Ohm) non vi sono alternative a basso prezzo, mentre per quello che riguarda la fascia altissima degli amplificatori, troviamo accoppiamenti OTL (Output Transformer Less), che sfruttano molte valvole in parallelo per abbassare l'impedenza con ovvi problemi di riscaldamento e di durata.

Accoppiamento Induttivo

Qui a sinistra possiamo vedere un tipico stadio finale con accoppiamento a trasformatore in un finale single-ended.
Si tratta ovviamente di un esempio, si trova molto di rado nella realtà un accoppiamento in ingresso di questo tipo (T1) mentre è abbastanza frequente in uscita sull'altoparlante (T2).
Per aumentare il trasferimento di potenza in alcuni casi viene rimosso il gruppo Rk-Ck che introduce una resistenza serie alla corrente anodica a favore di un generatore di tensione separato per la griglia.
Il più grosso inconveniente che si riscontra in questo tipo di accoppiamento è la relativa non linearità del trasformatore unita nel caso di T2 dalla possibilità della saturazione del nucleo dovuto alla corrente continua che circola e che richiede quindi dei nuclei più grandi o l'impiego di traferri.
Altro inconveniente è il limite di funzionamento del trasformatore sulle basse frequenze che di fatto lo trasforma in un filtro passa alto.
Questo rende quasi sempre necessario un anello di controreazione per linearizzare la risposta.

Da notare: nel caso in esame si presuppone che lo stadio precedente abbia l'uscita sul catodo, nel caso in cui lo stadio precedente abbia l'uscita sull'anodo il terminale a massa di T1 deve essere collegato a +Vcc, quindi il trasformatore si viene a trovare nella stessa configurazione di T2 rispetto a V1.

Accoppiamento con trasformatore in salita

Lo schema a sinistra rappresenta un interessante paradosso.
Lo stadio amplificatore a triodo è configurato come inseguitore catodico, quindi ha un guadagno inferiore ad uno.
In realtà essendo il trasformatore in salita (trasformatore interstadio) il guadagno è dato dalla somma del guadagno dello stadio amplificatore più il rapporto di trasformazione.
In pratica se il rapporto di trasformazione è 10 il guadagno è di poco inferiore a 10.
Questo circuito funziona nella misura in cui l'impedenza del circuito che segue è uguale o maggiore all'impedenza di uscita dello stadio vista dal primario moltiplicata per il rapporto di trasformazione al quadrato.
Da notare il diodo led impiegato come zener per fornire una tensione di polarizzazione negativa alla griglia di controllo.
Ovviamente la corrente anodica non deve eccedere la massima corrente che il led può tollerare, pena la sua distruzione.

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