Piccoli segnali e grandi segnali

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 I circuiti analogici amplificatori sono sottoposti a segnali la cui ampiezza può definirsi piccola o grande, in risposta a diverse peculiarità. 

Si parta dalla definizione di piccolo segnale. Si consideri una caratteristica non lineare di tensione-corrente di un dispositivo elettronico e si scelga un punto di coordinate (V0, I0) in una determinata regione di funzionamento e definito punto di riposo (Figura 1).

Figura 1: punto di riposo e piccoli segnali.

Se un segnale di tensione/corrente nel tempo ha un'ampiezza pari a una frazione della coordinata del punto di riposo corrispondente, allora si definisce piccolo segnale. Le principali caratteristiche del piccolo segnale sono:

  • invariabilità della regione di funzionamento: se il punto di riposo è scelto in un punto non troppo a ridosso del confine tra due regioni di funzionamento, allora l'ampiezza ridotta del segnale è tale da non modificare lo stato di regime.
  • linearità: la proprietà più importante dei piccoli segnali è la possibilità di far funzionare un dispositivo non lineare come lineare, tramite le approssimazioni di Taylor. 
Seguendo il procedimento matematico di derivata in un punto, la caratteristica tensione - corrente del dispositivo può essere così approssimata:
Procedendo con alcune definizioni:
La derivata della corrente fatta rispetto alla tensione e calcolata nel punto di riposo è definita transconduttanza e si indica, solitamente, con gm.
Per capire se circuitalmente la transconduttanza si rifletta in una resistenza o in un generatore di corrente pilotato in tensione, occorre distinguere i diversi casi: se la corrente viene calcolata da una tensione applicata al medesimo ramo, allora si tratta di una resistenza; viceversa, se la corrente è calcolata da una tensione applicata ad un altro ramo del circuito, allora si tratta di un generatore di corrente pilotato in tensione. 
La linearizzazione nel punto di riposo è mostrata in figura 2.
Figura 2: linearizzazione in P0.

Discorso quasi analogo per i grandi segnali: si definiscono grandi segnali quelli la cui ampiezza è molto maggiore del punto di riposo. Contando questa affermazione, è facile ricavare che non vale più la linearità, poiché lo scarto (distanza) tra caratteristica reale e retta approssimativa sarebbe troppo alto e l'errore in uscita non sarebbe trascurabile. Inoltre, la regione di funzionamento del dispositivo potrebbe cambiare, causando distorsione nel segnale di uscita.

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