Esercitazione 3 (B7- U9) Misure su amplificatori. Modulo SISTEMI ELETTRONICI AA ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3. Scopo dell esercitazione

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1 Esercitazione 3 (B7- U9) Misure su amplificatori Scopo dell esercitazione Gli obiettivi di questa esercitazione sono: - Analizzare il comportamento e misurare i parametri di moduli amplificatori, - Verificare alcune deviazioni rispetto al comportamento previsto con i modelli di prima approssimazione. Come per l'esercitazione precedente è previsto il confronto tra i risultati di calcoli e simulazione con le misure. In questo caso alcuni dei comportamenti rilevati sperimentalmente mettono in evidenza i limiti dei modelli semplificati utilizzati nelle lezioni. Nota: Nell esercitazione precedente alcuni punti della relazione erano precompilati, e per tutti i risultati di misura erano presisposte una tabella lungo la guida e la stessa tabella nel modulo finale. In questa esercitazione la relazione va interamente compilata, e per alcuni punti la risposta è predisposta solo nel modulo finale. Procedendo nella sequenza di esercitazioni si riduce via via la parte di relazione già predisposta, fino ad arrivare alla stesura completa. Moduli e strumenti da utilizzare I circuiti richiesti sono premontati; durante l esercitazione devono solo essere collegati gli strumenti (alimentatore, generatore di segnale all ingresso e oscilloscopio sui punti di misura). Viene utilizzato solo il modulo AMPLIFICATORI. Predisposizione delle basette I circuiti su cui eseguire le misure sono premontati su piastre a circuito stampato realizzate appositamente per queste esercitazioni. Le variazioni nella configurazione circuitale si ottengono tramite interruttori, come indicato nella descrizione di ciascuna esperienza. La posizione e il nome degli interruttori sono indicati da una serigrafia sul circuito stampato. Lo stato dell interruttore è indicato come: 1 = Chiuso, 2 = Aperto. La basetta di questa esercitazione comprende due amplificatori; per l ingresso è presente un connettore BNC seguito dai gruppi R-C-SW di ingresso, che può essere collegato al modulo invertente o a quello non invertente con il deviatore S1. Le uscite, selezionate da S2, vanno ai gruppi R-C-SW e al punto di connessione J6. Page 1 of 21

2 Homework Per alcune misure è previsto il confronto con risultati di calcoli e/o simulazioni. Calcoli e simulazioni vanno eseguiti prima dell esercitazione, con i dati numerici forniti nella guida. I dati numerici comprendono i valori nominali e le tolleranze dei componenti; calcolo e simulazione possono essere eseguiti usando solo i valori nominali, oppure cercando di determinare il campo di risultati possibili in base alle tolleranze. Il risultato della misura è a sua volta affetto da errori per l imprecisione degli strumenti e altre cause. E quindi ragionevole aspettarsi una discrepanza tra risultati di calcoli/simulazioni e misure (anzi, valori perfettamente identici inducono perplessità sulla corretta esecuzione delle misure). In altri termini, le fasce dovute a tolleranze ed errori devono avere campi di sovrapposizione. In queste esercitazioni non è espressamente richiesta una verifica quantitiva di questa corrispondenza, ma è utile esprimere sintetiche considerazioni qualitative. Esecuzione delle misure Per ciascuna misura viene utilizzato uno dei circuiti premontati sul modulo sperimentale, predisposto secondo la configurazione indicata. Nota: Questa è la prima esercitazione in cui vengono utilizzati circuiti attivi, che richiedono alimentazione. Prima di collegare l'alimentatore impostare le tensioni di uscita al valore desiderato, ed eventualmente verificarle con uno strumento (tester o multimetro). Gli strumenti sull'alimentatore generalmente non sono precisi; peraltro solo in casi particolari è necessario un valore esatto della tensione di alimentazione per far funzionare il circuito. I risultati delle misure eseguite vanno riportati nelle tabelle disponibili in coda a questo documento. Documenti collegati Selabman1 manuale generale per le esercitazioni di laboratorio (AA 2001/2) Page 2 of 21

3 3.1 Parametri di un amplificatore Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo B1, e configurarlo come di volta in volta indicato. Lo schema indicato nella scatola grigia è il circuito equivalente come doppio bipolo; il modulo contiene circuiti attivi (quindi richiede alimentazione), ma i dettagli del circuito interno non sono significativi per questa esercitazione che è focalizzata sul comportamento rilevabile ai morsetti esterni.. Ru Ri Av Vi VU Collegamento degli strumenti Val 12V Vo LM741 R4 1k generatore di segnale - R3 10k R2 12k R1 100k alimentatore GND GND Val- -12V CH1 GND GND CH2 GND oscilloscopio Il connettore BNC per il segnale di ingresso è marcato J1 sulla piastra. Il punto di connessione è marcato J6 (massa su J7). L alimentazione viene portata tramite il connettore J8. Page 3 of 21

4 Homework: I dati nominali dell amplificatore oggetto delle misure sono: Av = 9 ± 10% Ri = 10 kω ± 10% Ru = 100 Ω ± 10% Questi dati vanno confrontati con quelli ricavati dalle misure sperimentali. Misura del guadagno Predisporre la basetta in modo da applicare direttamente la tensione del generatore all ingresso del modulo, con uscita a vuoto. Ru Ri Av Vi VU Tabella interruttori (1 = chiuso, 2 = Aperto) S1 1 S2 1 S3 Chiuso S4 Chiuso S5 Chiuso S6 Aperto S7 Aperto S8 Aperto S9 Aperto a) Applicare all ingresso un segnale sinusoidale, con frequenza 800 Hz e ampiezza 0,1 Vpp, l b) collegare ai due canali dell oscilloscopio ingresso e uscita del circuito, e misurare il rapporto G = Vo/Vi; calcolare G anche in db; Misura di G a 800 Hz G (rapporto) G (in db) Misura Calcolo Page 4 of 21

5 Misura della resistenza equivalente di ingresso Predisporre la basetta in modo da poter inserire in serie all'ingresso una resistenza Rs da 10 kω. S5 Ru Rs 10kΩ Ri Av Vi VU V S Tabella interruttori (1 = Chiuso, 2 = Aperto) S1 1 S2 1 S3 Chiuso S4 Chiuso S5 Aperto: resistenza da 10 kω inserita Chiuso: resistenza da 10 kω cortocircuitata S6 Aperto S7 Aperto S8 Aperto S9 Aperto a) Misurare la tensione (AC) prima e dopo la resistenza b) Dalle misure e dal valore di Rs determinare la resistenza equivalente di ingresso dell'amplificatore (Ri). Vs (prima della resistenza) Vi (dopo la resistenza) Valore di Rs Valore di Ri Misura Calcolo Page 5 of 21

6 Misura della resistenza equivalente di uscita Predisporre la basetta in modo da poter inserire in parallelo all uscita una resistenza di carico Rc da 2,2 kω. Ru S6 V S - V Ri I R2 12k Av 100k Vi Rc 1kΩ Tabella interruttori (1 = Chiuso, 2 = Aperto) S1 1 S2 1 S3 Chiuso S4 Chiuso S5 Chiuso S6 Aperto=R C scollegata, Chiuso=R C (1kΩ) connessa S7 Aperto S8 Aperto S9 Aperto a) Applicare in parallelo all'uscita la resistenza di carico Rc (interruttore SW4), b) Misurare la tensione di uscita Vo (AC) a vuoto e con la resistenza Rl inserita Dalle misure e dal valore di Rl determinare la resistenza equivalente di uscita dell'amplificatore (Ro). Vo (a vuoto) Vo (con carico) Valore di Rl Valore di Ro Misura Calcolo Page 6 of 21

7 3.2 - Risposta in frequenza e al transitorio di amplificatore con celle RC esterne. Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo B1, e configurarlo in modo da ottenere il circuito indicato a lato, con R1 = 1k, C1 = 10 nf. S3 C10 Ru V S C5 Ri Av Vi C6 C9 S8 S9 Tabella interruttori (1 = Chiuso, 2 = Aperto) Configurazione iniziale: S1 1 S2 1 S3 Aperto = solo C 5 Chiuso = C 10 in parallelo a C 5 S4 Aperto S5 Chiuso S6 Aperto S7 Aperto S8 Aperto = nessun condensatore Chiuso = inserito C 6 10nF S9 Aperto = nessun condensatore Chiuso=inserito C 9 1nF S3 aperto (Cingresso = C5); S8 aperto (Cuscita = C9) Alimentatore, generatore di segnale e oscilloscopio sono collegati come per l esperimento precedente. Homework: - Calcolare la posizione del polo e la curva di risposta Vo/Vi per questo circuito per S3 e S8 aperti. - Calcolare e tracciare su diagramma tarato la risposta al gradino. - Eseguire una simulazione PSPICE del comportamento del circuito (risposta in frequenza e al gradino). I risultati degli homework vanno confrontati con quelli ottenuti dalle misure sperimentali. Page 7 of 21

8 Esecuzione delle misure Ripetere le misure di guadagno per frequenze da 300 Hz a 1 MHz, con due misure per decade (valori 1 e 3); riportare i risultati in tabella e nel grafico (notare che si tratta di un diagramma di Bode del modulo, con asse delle frequenze logaritmico e ampiezza in db). Misura di G in frequenza Frequenza (Hz) 300 1k 3k 10k 30k 100k 300k 1M G (rapporto) G (in db) Diagramma di Bode di G V O / [db] 300 1k 3k 10k 30k 100k 300k 1M f [Hz] Risposta al transitorio V O [V] xx xx t [ms] Confrontare con i risultati dei calcoli e della simulazione. Intervenire su S3 e S8 per verificare qualitativamente l effetto di una variazione delle costanti di tempo sulla risposta al gradino. Giustificare sinteticamente i risultati. Page 8 of 21

9 3.3 - Amplificatore invertente Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo B2 (amplificatore invertente), e configurarlo in modo da ottenere il circuito indicato a lato. S5 Rs 10k Ru R4 1k V S Ri R1 Av 100k Vi Tabella interruttori (1 = Chiuso, 2 = Aperto) S1 2 S2 2 S3 Chiuso S4 Chiuso S5 Aperto: resistenza da 10 kω inserita Chiuso: resistenza da 10 kω cortocircuitata S6 Aperto S7 Aperto S8 Aperto S9 Aperto Misure Verificare l inversione di fase tra segnale di ingresso Vi e Vu Determinare il guadagno in banda passante Misurare la resistenza equivalente di ingresso Ri (con la stessa tecnica usata in precedenza nel punto 3.2) Page 9 of 21

10 3.4 - Saturazione di amplificatore Predisposizione del modulo Ru S6 S7 V S Ri Av Vi R10 1k R11 0,1k Tabella interruttori (1 = Chiuso, 2 = Aperto) S1 2 S2 2 S3 Chiuso S4 Chiuso S5 Chiuso S6 Aperto=R10 scollegata, Chiuso=R10 (1kΩ) connessa S7 Aperto=R11 scollegata, Chiuso=R11 (100Ω) connessa S8 Aperto S9 Aperto Misure Aumentare il livello di ingresso fino ad ottenere saturazione in uscita (segnale che non aumenta oltre un determinato valore). Verificare la zona di linearità e la saturazione con segnali sinusoidali e triangolari. Determinare la dinamica di uscita. Verificare l effetto dell inserimento in uscita di carichi da 1kΩ e 100 Ω sulla dinamica di uscita Variare (di - 2 V al massimo ) le tensioni di alimentazione, e verificare qualitativamente l effetto sulla dinamica di uscita. Page 10 of 21

11 3.5 - Risposta di amplificatore AC Per questo punto dve essere utilizzato un altro modulo (A3-1). L esercitazione è solo dimostrativa, e viene condotta dal docente se rimane tempo disponibile. Predisposizione del modulo Ru V S Ri Av Vi Tabella posizione interruttori Misure Verificare la risposta in frequenza Verificare la risposta a onda quadra Applicare offset dal generatore e verificare se viene riportato amplificato in uscita, motivando il risultato in base alle misure precenti (risposta in frequenza). Page 11 of 21

12 3.6 - Dentro la scatola nera I moduli oggetto di misura in questa esercitazione sono realizzati con un amplificatore operazionale reazionato. Gli amplificatori operazionali sono descritti nel gruppo di argomenti C, e saranno oggetto delle prossime esercitazioni di laboratorio. Questo paragrafo è solo una anticipazione descrittiva, che non richiede l esecuzione di misure, e non va inserita nella relazione. *** ATTENZIONE **** I valori ndicati in questi schemi NON CORRISPONDONO a quelli effettivamente utilizzati nelle basette di laboratorio. Lo schema interno per la configurazione con guadagno positivo (usata nei punti 3.1, 3.2, 3.4) è quello a lato. Val R4 1k - R3 10k R2 12k R1 100k GND Val- A lato compare lo schema interno utilizzato per il punto 3.3, dove il modulo ha amplificazione con segno negativo. R1 15k R2-150k R3 10k Questo è lo schema interno della configurazione Amplificatore AC, utilizzata nel punto R1 100k C1 R2 12k C2 Page 12 of 21

13 Schema completo della piastra di misura num LM358 R 2 R 5 R 3 CK1 CK2 R 4 SW1 SW2 CK3 I1 non invertente O1 CK4 V S R 1 C 2 GND R 7 GND SW4 SW5 SW6 SW7 C 1 CK5 SW3 V i I2 R 6 LM358 - O2 R 9 R 10 C 3 C4 R 8 invertente Schema completo della piastra di misura num. 3 (utilizzata solo per la parte 3.5) CK1 CK2 CK3 SW1/1 C 1 LM358 CK4 SW7/1 V S R 1 SW2/1 - SW5/1 SW6/1 R 2 R 3 C 2 R 5 CK6 SW3/1 CK5 R 4 SW4/1 C 3 Page 13 of 21

14 Modulo per la relazione Esercitazione 3: Misure su amplificatori Data: Gruppo n Tavolo n Composizione del Gruppo nome firma Strumenti utilizzati strumento Marca e modello caratteristiche Generatore di segnali: Oscilloscopio Alimentatore Circuito premontato Descrizione sintetica degli obiettivi Page 14 of 21

15 Risultati delle misure 3. 1 Parametri di un amplificatore Homework e misure dei parametri Guadagno a 800 Hz G (rapporto) G (in db) Misura Calcolo Resistenza equivalente di ingresso Vs (prima della resistenza) Vi (dopo la resistenza) Valore di Rs Valore di Ri Misura Calcolo Resistenza equivalente di uscita Vo (a vuoto) Vo (con carico) Valore di Rl Valore di Ro Misura Calcolo Page 15 of 21

16 Risposta in frequenza e al transitorio di amplificatore con celle RC esterne. Homework: Risultati dei calcoli per diagramma di Bode e risposta al gradino Guadagno in banda Polo 1 ω τ Polo 2 ω τ Inserire fogli con i risultati della simulazione Risultati delle misure in frequenza: frequenza 300 1k 3k 10k 30k 100k 300k 1M G (rapporto) G (in db) Diagramma di Bode di G (sovrapporre diagramma calcolato e misurato) V O / [db] 300 1k 3k 10k 30k 100k 300k 1M f [Hz] Page 16 of 21

17 Risposta al transitorio (sovrapporre diagramma calcolato e misurato) V O [V] xx xx t [ms] Effetti delle variazioni delle costanti di tempo Effetto su Bode Effetto sul transitorio Page 17 of 21

18 3.3 - Amplificatore invertente Predisposizione del modulo Misure Verifica dell inversione di fase (riportare segnale di ingresso e segnale di uscita) V O [V] xx xx t [ms] Misura della Ri Valore Ri Misura Calcolo Page 18 of 21

19 Saturazione di amplificatore Misure Verifica della saturazione sul segnale di uscita V O [V] xx xx t [ms] Dinamica di uscita a vuoto: Dinamica di uscita con carico: Effetto delle variazioni sull alimentazione: Alimentazione - 12 V Variazioni della alimentazione positiva Variazioni della alimentazione negativa Page 19 of 21

20 Risposta di amplificatore AC Risultati delle misure in frequenza: frequenza 300 1k 3k 10k 30k 100k 300k 1M G (rapporto) G (in db) Amplificatore DC: Diagramma di Bode di G V O / [db] 300 1k 3k 10k 30k 100k 300k 1M f [Hz] Espressione analitica Av(ω): V O [V] xx xx t [ms] Amplificatore DC: Risposta al transitorio Effetto della variazione di offset, e motivazione: Page 20 of 21

21 Storia del documento Rev Rev Rev DDC varianti per Sistemi Elettronici Rev DDC dettaglio misure e relazione Rev DDC aggiunta 3.6, ridisegnato circuito interno Rev DDC inserite tabelle e correzioni DDM Rev DDC cambiati label componenti per accordo con basette Page 21 of 21