SIMULAZIONE DI DISTORSIONE ARMONICA - I.C. LF351

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Il circuito rappresentato sotto è un classico stadio d'amplificazione a integrato per dimostrare il funzionamento dello stesso alimentato con una singola tensione per avvicinarlo di più allo schema della valvola. E' presente il carico in uscita del circuito collegato su 'OUT' che comunque non cambierebbe nulla data l'uscita a bassa impedenza che hanno questi componenti.

Modificando i valori di tensione d'alimentazione e dei componenti di polarizzazione del circuito si ottengono risultati diversi sia di risposta in frequenza, sia di aumento di segnale, ma le armoniche riprodotte sono soggette alla simmetria di questo circuito e quindi poco modificabili.

Uno stadio di questo tipo anche se di principio è ampiamente utilizzato da chi progetta un amplificatore a integrati.

Adesso scopriamo come si comporta un circuito di questo tipo sottoposto ad un segnale d'ingresso, rappresentato nella figura precedente dal generatore 'TR', quando applichiamo una tensione di 1Vpp  avente frequenza di 220 hz.

Come si può vedere dalla forma d'onda il segnale parte dal valore iniziale di 0V, che è il punto di riposo di questo circuito, per salire fino a 2,75V, poi scende fino al valore di partenza per continuare fino ad un valore di -2,75V e risale di nuovo fino al punto di partenza di 0V compiendo un ciclo.

Per fare questo impiega un tempo che è l'inverso della sua frequenza ovvero una durata di 1/freq  (1/220=4,545msec) come si può vedere dal grafico.

Amplificando in queste condizioni di un fattore pari a 5,5 volte la tensione d'ingresso ci troviamo in uscita un segnale avente 5,5V picco-picco (2,75V+2,75V=5,5V).

Da notare che questo tipo di circuito non effettua nessuna rotazione del segnale di 180°; difatti quando la tensione del segnale in ingresso aumenta quella prelevata sul piedino d'uscita dell'operazionale aumenta e viceversa.

In questo caso il LA 440 hz (2° armonica) ha un livello di 3,5 uVp praticamente nullo che insieme alle altre armoniche porta ad una distorsione praticamente nulla,  e quindi ininfluente a livello uditivo.

Si può affermare quindi che per piccoli segnali questo circuito non modifica in maniera apprezzabile il contenuto armonico del segnale amplificandolo in maniera fedele.

Ora andiamo ad osservare il nostro analizzatore di spettro virtuale per verificarne la quantità e il tipo d’armoniche generate.

Si intuisce immediatamente che essendoci circa 120 dB di differenza tra la fondamentale e le sue armoniche queste sono praticamente inesistenti.

Quando invece applichiamo un segnale di 2Vpp della stessa frequenza notiamo che oltre al fatto che la tensione varia fra +5,5V e -5,5V e quella dovuta alla frequenza fondamentale arriva a 5,5 Vp, le altre variano in maniera proporzionale lasciando la distorsione armonica totale ancora praticamente nulla.

Osserviamo il nostro analizzatore di spettro virtuale e notiamo che addirittura c’è una leggerissima diminuzione della distorsione.

Aumentando ancora il segnale d'ingresso a 5 Vpp notiamo che la nostra forma d'onda rimane praticamente uguale alla precedente e mantenendo la distorsione armonica ancora una volta praticamente nulla.

Osservando il nostro analizzatore di spettro virtuale, si può vedere come la situazione sia sostanzialmente immutata.

Portando il segnale in ingresso a 10 Vpp vediamo che la forma d'onda risulta tagliata in maniera simmetrica sia nella semionda positiva a causa del raggiungimento del valore della tensione d'alimentazione, sia in quella negativa a causa del raggiungimento del potenziale di massa.

Ciò crea un'amplificazione minore del segnale che si adagia a circa 3,6 volte invece di 5,5 della partenza e ad un aumento enorme delle armoniche.

In questo caso la 3° armonica arriva a 3,7 V mentre la 2° armonica si ferma a 10 mV.

Superando la soglia del 20% potremmo dire che abbiamo una distorsione media del segnale.

Osservando il nostro analizzatore di spettro virtuale, si può notare come siano enormemente aumentate tutte le armoniche, soprattutto d’ordine dispari a causa della distorsione dell’elemento attivo.

Con il massimo segnale previsto in questa simulazione che ha un'ampiezza di 20 Vpp arriviamo ad una distorsione medio-alta in cui non si ha più un aumento consistente della fondamentale ma aumentano solamente le armoniche generate poiché ci avviciniamo di più alla forma d'onda quadra tipica delle distorsioni causate da circuiti a stato solido.

La distorsione armonica totale arriva a superare il 30%.

Osservando il nostro analizzatore di spettro virtuale, si può notare come tutte le armoniche siano aumentate, ed è ancora diminuita la fondamentale per effetto della saturazione.

Considerazioni: l'amplificazione a stato solido standard produce una distorsione armonica nulla fino ad un certo livello del segnale d'ingresso per salire poi bruscamente ai livelli più alti ed è caratterizzata esclusivamente da armoniche d'ordine dispari (soprattutto 3° e 5° armonica) con quasi nulla presenza d'armoniche pari.

E' proprio il fatto che la distorsione entra in maniera repentina producendo note diverse da quella che stiamo suonando che non ci fa apprezzare questo suono spesso fastidioso al nostro orecchio.