I.I.S.S. G. GALILEI A. SANI -ELETTRONICA Classe:5 - A\EN Data : 19\09\15 Elettronica - Gruppo n 4 : Salzillo_Pinna- Luogo: IISS GalileiSani -LT

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1 NOME: Marco COGNOME: Salzillo TITOLO: AMPLIFICATORE OPERAZIONALE NON INVERTENTE OBBIETTIVO: REALIZZARE UN CIRCUITO OPERAZIONALE NON INVERTENTE CHE AMPLIFICA DI 11,7dB CIRCUITO TEORICO: CIRCUITO APPLICATIVO: Rf. R1+R2 2.7k R. Vi UA741A. Vo R0 1k Vi UA741A. Vo CIRCUITO REALIZZATO: File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 1 di 17

2 COMPONENTI : Componenti (circuito applicativo) Progetto Calcolata Disponibile Misurata Resistenza R Resistenza (R1+R2) Ω 2700 Ω (R1) 2700 Ω (R1) 2600 Ω (R1) 200 Ω (R2) 200 Ω (R2) 200 Ω (R2) Amplificatore Operazionale µa741 N.A. µa741 N.A. STRUMENTI: Strumento Marca Modello Numero di Inventario Numero di Serie Generatore di Funzione Topward Oscilloscopio Topward Sonde x2 N.A. TP6100 N.A. N.A. Breadboard N.A. N.A. N.A. N.A. Cavi rigidi N.A. N.A. N.A. N.A. Banco di lavoro De Lorenzo DL Cavi bananabanana N.A. N.A. N.A. N.A. Multimetro Mastech MAS830L N.A. N.A. PROGETTO : Il compito a noi assegnatoci, si basava nel progettare un circuito operazionale in configurazione non invertente, dove l amplificazione in db deve rispettare la suddetta formula: Av = [(N+1)/3)]*7 = 11,67dB N= numero gruppo = 4 Con questa formula, ci siamo calcolati con la formula inversa il guadagno da db ( AV ) in AV : Av = 20log(Av) 20log(Av) = 16,67dB log(av) = 16,67dB/20 = 0,58 Av = 3,82 Av = (Rf/R)+1 (R = 1kΩ per semplificare i calcoli) Rf = 2818 Ω E stato chiesto in particolare di effettuare delle misure al -70%, -50% e -10% del segnale in centro banda. File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 2 di 17

3 DIFFERENZE TRA CIRCUITO TEORICO E APPLICATIVO: Nel circuito teorico sono presenti due resistenze Rf ed R che sono da 2,8kΩ e 1kΩ, che dovrebbero garantire un guadagno di 3,8 ( AV ) o 11,67dB. Nel circuito applicativo invece sono state utilizzate tre resistenze, una da 1kΩ come da progetto (ovvero R0) le altre due ( R1 +R2) state montate in serie per avere una precisione maggiore sulla misura e sul guadagno dato che la singola resistenza da 2,8kΩ segnava come valore su tester 2,6kΩ. Di conseguenza si è deciso di utilizzare una resistenza da 200Ω per compensare la differenza di valore. IL CIRCUITO REALIZZATO: Tra il circuito applicativo e realizzato non vi sono particolari differenze. Nel circuito realizzato Vi sono dei testpoint, uno su Vi (entrata del segnale) e una su Vo ( uscita del segnale amplificato) cosi da poter effettuare le varie misure e i vari confronti delle due onde sull oscilloscopio. TABELLE MISURE: k k k k k k k k k k k k k k File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 3 di 17

4 MISURE EFFETTUATE: File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 4 di 17

5 k File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 5 di 17

6 5k k File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 6 di 17

7 50k k File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 7 di 17

8 120k (-10%) 150k File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 8 di 17

9 200k k File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 9 di 17

10 300k (-50%) 350k File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 10 di 17

11 400k k File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 11 di 17

12 500k (-70%) File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 12 di 17

13 ANALISI E SINTESI GRAFICA: DIAGRAMMA DI BODE: Riportando sul grafico i dati relativi ai valori dei db si nota subito come la curva si appiattisce tra 20Hz e i 10KHz ad un valore massimo di db. Guardando il grafico si riesce a valutare più o meno la frequenza di taglio superiore, che si dovrebbe trovare intorno ai -3dB della banda passante cioè, intorno al 70% del segnale (in Volt) a centro banda. Il 70% del segnale massimo nella banda passante (tra 20hz e 150Khz) del nostro circuito è : 70% x 1.9V(centro banda Max) = 1.33V Intorno a 1.33Volt si dovrebbe avere teoricamente il taglio superiore, quindi a -3dB del segnale massimo della banda passante, ovvero: 11.59dB -3dB = 8.59 db Guardando quindi la tabella della misure a 150Khz ci troviamo un segnale di 1.35Volt e un guadagno di 8.54dB di conseguenza I valori di frequenza trovati e misurati coincidono quasi perfettamente alle frequenze di taglio teoriche e calcolate. La frequenza di taglio inferiore non si è potuta calcolare dato che gli strumenti a disposizione non permetteva di misurare il segnale a frequenze sotto i 20Hz. File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 13 di 17

14 GRAFICO DELLA FASE: Tra le frequenze di 20Khz e 10KHz la fase rimane constante a 0, ovvero a centro banda i due segnali perfettamente in fase, con nessun ritardo del segnale in uscita rispetto a quella in entrata. Nel nostro caso tra 10Khz e 250 khz il segnale in uscita Vo va ad avere un ritardo sul segnale in entrata, fino ad arrivare dai 300kHz in poi con un segnale sfasato di circa 90 ovvero di Superata la frequenza di 500Khz si inizia ad avere il problema di slew rate sul segnale in uscita. Tra 20Hz e 10Khz si ha un segnale in entrata (Vi) di 500mV mentre il segnale in uscita (Vo) di 1.9 V facendo il rapporto tra segnale in uscita e segnale in entrata, si può ricavare l amplificazione in tensione. Vo / Vi = 1.9V / 500m V = 3.8 La frequenza di taglio superiore si trova a 50Hz ad un valore del segnale in uscita di 1.85Volt, mentre la frequenza di taglio inferiore non si è putata misurare dato che si trova a frequenze minori di 20Hz. File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 14 di 17

15 MODELLO EQUIVALENTE UA741 *(Circuiteria interna del modello equivalente del UA741) N.B.=Nei modelli seguenti alle varie frequenze l operazione ua741 è il modello equivalente o il circuito equivalente dell operazionale* ANALISI ALTE-MEDIE BASSE FREQUENZE: +12 MODELLO EQUIVALENTE ALLE BASSE FREQUENZE: Il circuito operazionale alle basse frequenze si Vi 1. C2 + 3 Vo comporta come un normale modello* del circuito 2 -. UA741. R3 operazionale NON INVERTENTE, con in serie R. all uscita un filtro passa alto. -12 Nel nostro caso non siamo riusciti a misurare la. frequenza di taglio inferiore, perché gli strumenti a Rf nostra disposizione, non ci permettono di effettuare, come già precedentemente detto, una misura sotto i 20Hz. Infatti già a 20Hz ci troviamo in pieno centro banda e questo perché il condensatore del circuito equivalente si comporta come un circuito aperto. 4 5 MODELLO EQUIVALENTE ALLE MEDIE FREQUENZE: Il modello equivalente alle medie frequenze si comporta come il circuito equivalente* dell operazionale in configurazione di non invertente, dove per simulare il comportamento alle alte frequenze non vi sono alcuni filtri o condensatori. Inoltre alle medie frequenze ci troviamo ancora in centro banda, dove il guadagno (AV) del segnale in entrata (Vi) è al massimo (3,8). File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 15 di 17

16 MODELLO ALLE ALTE FREQUENZE:. R Vi UA R3. C1. Vo Il circuito equivalente alle alte frequenze si comporta come il modello* equivalente del operazionale in configurazione di non invertente con un filtro passa basso in uscita, dove il valore di R3 e di C determinano la frequenza di taglio superiore del segnale amplificato.. Rf BENCHMARK: OPERAZIONALE NON INVERTENTE: In questo caso il segnale in ingresso e cioè Vin è applicato direttamente al morsetto dell ingresso non inverte dell operazionale, la corrente che scorre è molto piccola, quasi nulla, facendo il rapporto tra tensione e corrente si puo trovare la resistenza interna sul morsetto, come dal modello ideale questa resistenza è molto grande e di conseguenza si può dire che tende all infinito. Sempre in configurazione non invertente, il segnale in entrata Vin rispetto quello in uscita Vo si ha un segnale amplificato e non sfasato, cioè perfettamente in fase con il segnale ovvero 0, ciò puo tornare utile per diverse applicazioni Come possiamo osservare dal grafico riportato, a centro banda l operazionale in configurazione non invertente non sfasa il segnale di uscita rispetto a quello di ingresso, mentre a frequenze più alte il segnale in uscita comincia ad essere in ritardo sul segnale in entrata. File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 16 di 17

17 OPERAZIONALE INVERTENTE: Per la configurazione invertente cambiano le caratteristiche in questa configurazione il segnale in ingresso non è applicato direttamente all operazionale, ma sulla resistenza (R1). La corrente che passa in R1 si può calcolare dato che la tensione del segnale in ingresso cade quasi del tutto su R1. A differenza dall operazionale non invertente questa configurazione sviluppa in uscita un segnale amplificato e sfasato di 90 a centro banda. Segnale sfasato di 90 oprazionale invertente centro banda: Sul grafico riportato a centro banda l operazionale in configurazione di invertente sfasa il segnale di uscita (Vo) di 90 rispetto al segnale applicato in ingresso ovvero in ritardo di 90. CONCLUSIONI: Per quanto riguarda i calcoli del progetto e le misure effettuate sul circuito realizzato, non é stato rilevato alcun tipo di problema di montaggio o di progetto; il guadagno calcolato (Av=3,8) è perfettamente uguale al guadagno misurato, ciò è dovuto al fatto che i valori misurati e le capacità parassite non hanno influito in alcun modo sul circuito. Già dalle basse frequenze il circuito entra subito nel centro banda ( 20Hz) fino ad arrivare a 50kHz dove per un limite fisico del ua741, il guadagno comincia a scendere senza problemi fino a 500kHz. Oltre i 500Khz abbiamo deciso infatti di terminare le misure dato che l onda in uscita iniziava a dare problemi di slew rate. CONCLUSIONI BENCHMARK: A causa della grande impedenza in ingresso, la configurazione non invertente viene generalmente preferita a quella invertente per realizzare amplificatori generici. La configurazione dell operazionale invertente può essere utile quando si vuole realizzare un attenuatore, quando vi è la necessità di regolare il guadagno oppure quando occorre invertire la polarità del segnale di ingresso. File:IISS GALILEI-SANI- relazione elettronica Pagina 17 di 17