ELETTRONICA APPLICATA I (DU) Guida alle esercitazioni di laboratorio - AA Circuiti con Amplificatori Operazionali

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1 Guida alle esercitazioni di laboratorio AA Esercitazione n. 4 Circuiti con Amplificatori Operazionali 4.1 Amplificatore AC Montare il circuito riportato nello schema a lato, con alimentazione 15 V. Il segnale applicato all ingresso deve essere a valor medio nullo e di ampiezza inferiore a 100 mveff, salvo diversa indicazione. a) Misurare il guadagno per segnali sinusoidali con frequenze di: 100, 1.000, , Hz; 12k b) Determinare a quale frequenza la risposta dell amplificatore cala di 3 db. (cioè la posizione del polo verso le frequenze alte mantenere il segnale in uscita a livello basso, tale da non causare distorsione visibile). c) Applicare un segnale a onda quadra di ampiezza tale da mantenere il circuito in linearitá (ampiezza piccopicco in uscita pari a 15 V, corrispondente a circa metà dell intervallo tra le tensioni di alimentazione); valutare lo slew rate dell uscita. d) Applicare un segnale sinusoidale e verificare la presenza di distorsione da slew rate (il segnale di uscita prende una forma approssimativamente triangolare); verificare lo slew rate massimo del circuito. e) Calcolare, dato lo slew rate indicato sulle specifiche, la massima frequenza per cui un segnale di 1 V PP in uscita non é soggetto a distorsione a causa dello slew rate. Verificare con misure il risultato. f) Modificare il circuito inserendo in parallelo a R 1 un condensatore C 1 da 150 pf (schema a lato). Ripetere le misure del punto a), e discutere le differenze. C1 g) Applicare un segnale di 100 mv eff a 1000 Hz; variare l offset di uscita del generatore di segnale di ingresso e verificarne l effetto sul segnale in uscita. 12k C2 h) Modificare il circuito inserendo in serie a R 2 un condensatore C 2 da 470 nf (schema a lato); ripetere la misura del punto a), e discutere le differenze. i) Applicare un segnale a onda quadra di ampiezza tale da mantenere il circuito in linearitá; predisporre il periodo in modo tale da ottenere in uscita un segnale approssimativamente come in figura. Da misure sulle forme d onda ricavare la costante di tempo associata ai condensatori. C 1 e C 2 (conviene effettuare due misure con diversa frequenza dell onda quadra). Vu t El1es14a.doc 05/12/98 1

2 Guida alle esercitazioni di laboratorio AA Correnti I B e I OFF Montare il circuito indicato nello schema. Applicare all ingresso un segnale sinusoidale a frequenza 1 khz e ampiezza 100 mv eff a) Inserire in serie ai due ingressi resistenze come indicato nella tabella, e verificarne l effetto in uscita R 1 R 2 0 Ω 0 Ω 0 Ω 1 MΩ 1 MΩ 0 Ω 1 MΩ 1 MΩ (conviene inserire le due resistenze da 1 M Ω, e cortocircuitarle quando richiesto) b) Ricavare dalle misure precedenti il valore delle correnti circolanti nei morsetti di ingresso, e definire un modello per il circuito di ingresso che tenga conto di tali correnti. Per eseguire queste misure l oscilloscopio deve essere accoppiato in DC. 4.3 Tensione di offset di ingresso (V OFF ) Montare il circuito indicato a lato. a) Calcolare la tensione in uscita dovuta alle correnti di ingresso (utilizzare i valori misurati nel punto 4.2). b) Misurare la tensione in uscita per = 0. Il valore ottenuto è giustificato dalle correnti di ingresso misurate? c) Dalle misure effettuate ricavare un modello del circuito di ingresso d) Calcolare il valore della tensione di ingresso necessario per ottenere = 0. Verificare sperimentalmente quanto calcolato. Variando la temperatura dell amplificatore operazionale (ad esempio scaldandolo con un saldatore) si può osservare una variazione della tensione di uscita. A cosa è dovuta? El1es14a.doc 05/12/98 2

3 Guida alle esercitazioni di laboratorio AA Amplificatore invertente Montare il circuito riportato nello schema, con alimentazione 15 V, con R 3 = 0. a) Applicare all'ingresso un segnale triangolare di 1 V PP, periodo 3 ms; b) Determinare il guadagno misurando il segnale in ingresso e in uscita; c) Verificare che il morsetto invertente dell'amplificatore operazionale è a potenziale prossimo a massa. d) Aumentare l'ampiezza del segnale di ingresso a 5 V PP, e verificare il comportamento del segnale in uscita; in base a questa misura tracciare il diagramma ( ) per un campo di tensioni di ingresso da 2,5 a 2,5 V. Verificare il comportamento della tensione di uscita al variare delle tensioni di alimentazione (entro un campo di 4 V rispetto al valore nominale). e) Verificare l effetto dell inserimento in uscita di carichi da 1kΩ e 100 Ω sulla dinamica di uscita (escursione massima, con operazionale portato in saturazione) e sul guadagno (con amplificatore che rimane in linearità). Se collegando il carico si innescano oscilazioni, collegare un condensatore ceramico da 100 nf tra le alimentazioni (quanto più possibile vicino ai piedini dell integrato). f) Con segnale di ingresso triangolare e circuito operante in linearità inserire una resistenza R 3 da 100 kω e 1 MΩ, e verificarne l effetto sull uscita. Ricavare per la maglia di ingresso dell operazionale un modello che renda conto degli effetti rilevati in questo punto. 150k 15k 3 El1es14a.doc 05/12/98

4 Guida alle esercitazioni di laboratorio AA Amplificatore non invertente Per l esecuzione delle esperienze che prevedono l uso di un potenziometro, conviene dotare lo stesso di manopola graduata, per leggere più agevolmente la posizione del cursore. Montare il circuito riportato nello schema, con alimentazione 15 V. Il generatore V 1 corrisponde alla tensione di alimentazione 15 V. a) Realizzare la resistenza R 2 variabile nel campo di valori indicato collegando in serie una resistenza fissa ed un potenziometro di valore opportuno. b) Scegliere i componenti che fissano il guadagno dell'amplificatore (R 3 e R 4 ) in modo da ottenere in uscita: = 10 V per R 2 = 2 kω (scegliere un valore di R 4 compreso tra 5 e 50 kω). c) Tracciate il diagramma (R 2 ) teorico e sperimentale (5 punti di misura). d) Trasformare il circuito in un sommatore, aggiungendo un secondo ingresso al quale viene applicata una tensione V 2 pari a 15 V, con guadagno tale da ottenere: = 0 V per R 2 = 1 kω senza cambiare i valori di R 3 e R 4. e) Mantenendo i valori precedenti per V 1 e V 2, modificare il circuito (eventualmente variando il guadagno) in modo da ottenere: = 0 V per R 2 = 1 kω; = 10 V per R 2 = 2 kω. f) Tracciare i nuovi diagrammi (R 2 ) per i casi d) ed e). V 1 12k 4 El1es14a.doc 05/12/98

5 Guida alle esercitazioni di laboratorio AA Amplificatore differenziale Per l esecuzione delle esperienze che prevedono l uso di un potenziometro, conviene dotare lo stesso di manopola graduata, per leggere più agevolmente la posizione del cursore. Montare il circuito riportato nello schema, con alimentazione 15 V. Il circuito può essere visto come un amplificatore differenziale, in cui la tensione V 2 è ottenuta dalla V 1 tramite il potenziometro P 1. a) Applicare all'ingresso un segnale sinusoidale di 0,5 V eff, frequenza 200 Hz. b) Verificare che esiste una posizione di P 1 per cui = 0. Misurare il valore del guadagno A V = /V 1 per alcune posizioni (4 o 5) del potenziometro P 1. c) Calcolare la relazione tra posizione di P 1 e guadagno A V. Per semplificare il calcolo, osservare che la resistenza equivalente vista sul cursore del potenziometro è molto maggiore del carico formato da R 3 R 4. Indicare la posizione del potenziometro con un coefficente α, variabile da 0 a 1, proporzionale all angolo di rotazione; nell ipotesi fatta V 2 = α V 1. La funzione da calcolare è A V.(α). Determinare per quale valore di α = 0. a) Dalle misure del punto b), tracciare il diagramma del guadagno A V in funzione della posizione di P 1. Confrontarla con il calcolo fatto al punto c). V 1 P1 1k V 2 22k 4.7 Guadagno ad anello aperto A d Montare il circuito riportato a lato, con alimentazione 15 V. a) Misurare il guadagno ad anello aperto (il partitore permette di avere un segnale misurabile in rapporto noto con la V d ) 1k El1es14a.doc 05/12/98