Ci sono molte applicazioni in cui c’è bisogno di un circuito capace sia di modulare impulsi che di amplificare tensione al fine di comandare correttamente un carico tramite un opportuno treno di impulsi. Una tipica applicazione di questo tipo è il pilotaggio dei generatori piezoelettrici nei robot, ma ve ne sono anche altre piuttosto diffuse come il comando dei piccoli motori o degli array di LED. La ecolocalizzazione (sonar che stima le distanze misurando il tempo trascorso fra l’emissione di un suono e il ritorno della sua eco dall’ambiente, tipico dei pipistrelli) e la visualizzazione a ultrasuoni fanno ciò usando segnali con frequenza tempovariante, o chirp, ma per questo tipo di applicazioni, ovviamente, la distorsione non lineare non è importante.
Per contro, quando si deve pilotare un carico piezoelettrico ci si accorge subito che la sua naturale risonanza rimuove tutte le componenti di frequenza diverse dalla fondamentale. Il circuito qui proposto unisce un modulatore e un amplificatore in un singolo stadio e l’eleganza e la compattezza di questa soluzione circuitale sono ottimali per le applicazioni portatili come gli strumenti di misura.
In questo circuito il carico è posto in serie con due interruttori (Fig.1) e il segnale d’ingresso controlla direttamente S2, mentre S3 controlla S1 e il segnale modulato controlla S3. In pratica, il funzionamento in modulazione di questo circuito è simile a quello di un gate AND nel quale però gli interruttori hanno una resistenza interna sufficiente per poter dissipare le armoniche riflesse per risonanza dal carico.
Fig. 1 – Questo semplice modulatore è costituito da tre interruttori
Si noti che questo circuito utilizza come interruttori i transistor Q1 e Q2, sebbene questi si trovino nello stato di conduzione (Fig. 2). In pratica, essi lavorano come se fossero resistori controllati, pur amplificando sia in tensione che in corrente. Si può comandare il transistor Q2 con un segnale a 42 kHz opportunamente scelto per adattarsi alla risonanza sul carico, dopodiché si modula il transistor Q3 con un segnale periodico a impulsi a bassa frequenza. Questi impulsi aprono Q3, il quale di conseguenza induce Q1 e Q2 alla saturazione. Dunque, quando Q3 si apre fa cadere tutta la tensione sulla base di Q1, bloccando automaticamente lo stato di Q2. In pratica, Q1 e Q2 lavorano in sintonia perché anche Q1 può condurre corrente solo quando Q2 sta altrettanto conducendo corrente. Si può pensare a questo circuito come un amplificatore differenziale nel quale il segnale su un ramo controlla quello sull’altro ramo.
Sui grandi segnali i transistor Q2 e Q3 rimangono nella regione attiva la maggior parte del tempo e perciò i valori della resistenza interna nella base e nel collettore del Q1 diventano importanti. Infatti, quando la frequenza del segnale diventa più alta della frequenza di risonanza del carico, ecco che il diodo D1 si occupa di proteggere Q1 dagli effetti dell’induttanza L1 e dalle armoniche del circuito LC. Invero, la tensione di collettore ha uno spettro ricco di armoniche perché queste sono prodotte dalle caratteristiche non lineari dei tre transistor, ma questo non è un problema del quale preoccuparsi proprio perché la risonanza del carico provvede a eliminare tutte le armoniche inutili.
Fig. 2 – Il circuito di modulazione a tre transistor su carico risonante può lavorare con un ampio intervallo di tensioni d’ingresso
Il valore della resistenza R1 è critico perché influisce sul guadagno dell’amplificazione dello stadio Q1/Q2 sia in corrente che in tensione e si può dimostrare che la variazione della tensione sul collettore di Q1 è piuttosto sensibile al valore della R1. Inoltre, il transistor Q1 riesce a lavorare in modalità di conduzione perché la sua tensione di collettore aumenta fino al suo valore massimo abbastanza lentamente. La piccola ma significativa fluttuazione (glitch) sulle basse tensioni di collettore dimostra che quando si instaurano i regimi di conduzione in Q2 e Q3 si verificano discontinuità che provocano piccoli e parziali blocchi dell’amplificazione.
Se l’impedenza sul carico varia, il circuito non degrada la forma degli impulsi e questo vale fino al doppio della frequenza di risonanza del carico. Comunque, questo circuito lavora con tensioni d’ingresso da 4,5 a 11 V e perciò può essere agevolmente gestito con un comune microcontrollore a 5 V.