Laboratorio di Progettazione Elettronica Esercitazione 1

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1 Laboratorio di Progettazione Elettronica Esercitazione 1 Esercizio 1: Progettare un amplificatore operazionale in configurazione invertente come rappresentato in Figura 1. Utilizzare l amplificatore operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137. Figura 1: amplificatore in configurazione invertente a) Scaricare dal sito del costruttore il modello Pspice dell amplificatore e il relativo datasheet URL: Everything Modello Pspice da scaricare Figura 2

2 Datasheet del componente Figura 3 Decomprimere la cartella scaricata con il modello Pspice (cartella sbjm005.zip), la cartella dovrebbe essere salvata nella cartella in cui ci sono le diverse librerie: C:\Cadence\SPB_16.6\tools\capture\library\. Se non è possible accedere (nel vostro caso perchè non avete i privilege di amministratore) salvarla semplicemente in una vostra cartella sul desktop. Creare un nuovo progetto, come descritto nel tutorial sull utilizzo di PSpice, e aggiungere alle librerie utilizzate anche al libreria che contiene il componente scaricato: OPA2137.olb (cercatela ovviamente tramite browse nella cartella in cui l avete salvata). b) Leggere il datasheet scaricato e trovare le informazioni indicate in tabella Parametro Guadagno di anello aperto A 0 Frequenza di guadagno unitario (GBW) Impedenza di ingresso (Z in) Tensione di alimentazione utilizzabile (V s) Slew Rate (SR) Valore 94 db 1 MHz 10 GΩ 1pF Single supply: 4.5 V-36 V; Dual supply: ±2.25 V 18 V 3.5V/µs A partire da questi valori calcolare la frequenza a 3dB dell amplificatore ad anello aperto. Considerando che: GBW = 1 f t = A 3dB f 3dB e che: A 3dB = 0.707A 0 Si ricava: f 3dB = GBW 1MHz = 0.707A = 28Hz c) Disegnare lo schematico relativo a un amplificatore operazionale invertente, dovreste ottenere il circuito di Figura 4. Utilizzate un alimentazione dual supply Vs=±5V e un ingresso sinusoidale con

3 frequenza pari a 100Hz e ampiezza pari a 1mV. Dimensionare le resistenze in modo tale che l amplificatore abbia un guadagno di 1000 V/V. Figura 4 Con riferimento alla Figura 4, la relazione ingresso-uscita sarà dato dall espressione (configurazione invertente): V out = A V in = R 1 R 2 V in Le resistenze dovranno quindi soddisfare la relazione R 1 = 1000 R 2, scegliamo quindi, ad esempio R1=100Ω e R2=100kΩ. d) Per poter procedere alla simulazione è necessario caricare la libreria relativa al componente OPA2137 anche nell ambiente di simulazione. Per far ciò aprire la finestra Simulation settings da PSpice->Edit simulation profile. Come raffigurato in Figura 5, selezionare il tab Configuration Files, la Category Library nel menu a sinistra segnato in rosso e tramite il tasto Browse cercare la libreria relativa al componente: OPA2137.lib (la troverete nella cartella che avete salvato al punto a) cliccare su Add as Global, confermare con OK. Se il programma non vi consente di fare Add as Global, selezionate Add to Design. Figura 5 e) Simulare il circuito in transitorio, scegliere opportunamente il periodo di simulazione in modo tale da visualizzare 20 periodi della sinusoide. Plottare ingresso e uscita per verificare che il guadagno

4 sia quello atteso, si noti inoltre che l uscita è in opposizione di fase rispetto all ingresso, come ci si attende da un amplificatore invertente. (il grafico che dovreste ottenere è riportato in Figura 6) Figura 6 f) Simulare il circuito in AC il grafico che dovreste ottenere è riportato in Figura 7. Qual è la banda a 3dB? Che relazione ha rispetto alla frequenza di taglio dell amplificatore ad anello aperto calcolata al punto b? Figura 7 La banda a 3dB dell amplificatore retroazionato è pari a f 3dB_cl=1.4kHz. Per capire che relazione ha con la frequenza di taglio ad anello aperto calcolata al punto b bisogna tenere presente l effetto della controreazione sugli amplificatori. Uno degli effetti (positivi) della controreazione è quello di

5 poter scegliere il valore di guadagno dell amplificatore scegliendo i valori delle resistenze della rete di controreazione, che, essendo dei componenti esterni all operazionale, possono essere scelte e modificate senza difficoltà, a seconda delle specifiche di progetto. In questo caso, per esempio abbiamo scelto le resistenze in modo tale che il guadagno a ciclo chiuso fosse A=1000V/V. Rispetto al guadagno dell amplificatore ad anello aperto di 94dB (che corrisponde in scala naturale a V/V) siamo quindi scesi di un fattore pari a circa 50. Il fatto che il guadagno si sia ridotto, comporta anche dei benefici in termini di banda passante, infatti, come è evidenziato nello schema sottostante, la banda a 3dB a ciclo chiuso aumenta, rispetto a quella a ciclo aperto, dello stesso fattore di cui si è ridotto il guadagno (in questo caso 50). 94dB Risposta in frequenza ad anello aperto Risposta in frequenza ad anello chiuso Guadagno ridotto di un fattore 50 60dB 28 Banda a 3dB incrementata di un fattore kHz 1MHz g) Modificare le alimentazioni del circuito in modo da renderle single supply. La tensione di alimentazione negativa dovrà quindi essere a ground, mentre per la VS scegliete un valore Vs=10 V. A questo punto non potendo più gestire le tensioni negative, è necessario che il segnale di ingresso sinusoidale oscilli non più tra -5 V e 5 V ma tra 0 e 10 V, (le tensioni negative non possono più essere amplificate utilizzando un alimentazione single supply, in quanto la tensione più bassa possibile è pari a 0) è quindi necessario aggiungere una componente continua alla sinusoide di ingresso pari a 5 V. In sostanza, come indicato in Figura 8, il comportamento del circuito non varia rispetto al caso precedente, semplicemente TUTTE le tensioni sono spostate di +5 V, quindi quella che prima era -5 V diventerà la nostra ground, quella che prima era ground sarà pari a 5 V (che chiameremo anche tensione di riferimento o MASSA DEL SEGNALE) e quella che era 5 V sarà ora pari a 10 V. Per modificare la componente continua della sinusoide impostare sulle proprietà del generatore VSIN il campo Voff=5 V. Lo stesso discorso vale per la tensione di riferimento da dare sul morsetto non invertente: anche in questo caso il riferimento per il segnale non è più 0 V ma 5 V (cioè appunto la massa per il segnale )

6 (a) Sinusoide con alimentazione dual supply Figura 8: alimentazione dual e single supply (b) Sinusoide con alimentazione single supply h) Simulare il nuovo circuito in transitorio, il comportamento atteso è quello di Figura 9, calcolare il guadagno del SEGNALE (non considerare quindi la componente continua). Come si può notare il comportamento è perfettamente analogo a quello ottenuto con il primo circuito in Figura 6, a meno del fatto che tutti i grafici sono traslati di +5V. Il comportamento atteso è quello di Figura 9, per calcolare il guadagno questa volta si deve prendere l ampiezza picco-picco del segnale di uscita (6 V-4 V=2 V) e dividerla per il segnale piccopicco del segnale di ingresso (5.001 V V=2 mv). Figura 9 i) Effettuare un analisi in AC del circuito con l alimentazione single supply. Cambia rispetto al caso in cui si è utilizzata un alimentazione dual supply? L analisi in AC resta identica a quella fatta nel caso di alimentazione dual supply. Bisogna però avere l accortezza di settare il campo DC del generatore a 5V. (Voff viene ignorato dall analisi in frequenza)

7 Esercizio 2: Progettare un amplificatore operazionale in configurazione non invertente come rappresentato in Figura 10. Utilizzare l amplificatore operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137. Figura 10 a) Disegnare lo schematico relativo a un amplificatore operazionale invertente, dovreste ottenere il circuito di Figura 11. Utilizzate un alimentazione dual supply Vs=±5V e un ingresso sinusoidale con frequenza pari a 100Hz e ampiezza pari a 1mV. Dimensionare le resistenze in modo tale che l amplificatore abbia un guadagno di 1000 V/V. Figura 11 b) Simulare il circuito in transitorio, scegliere opportunamente il periodo di simulazione in modo tale da visualizzare 20 periodi della sinusoide. Plottare ingresso e uscita per verificare che il guadagno sia quello atteso, confrontare il grafico ottenuto con quello di Figura 6, cosa cambia? c) Simulare il circuito in AC e confrontare il grafico ottenuto con quello dell amplificatore invertente di Figura 7 d) Modificare le alimentazioni del circuito in modo da renderle single supply. Valgono tutte le considerazioni viste nell esercizio 1. e) Simulare in transitorio il nuovo circuito e calcolare il guadagno. f) Simulare in transitorio lo stesso circuito con un segnale di ingresso sinusoidale di ampiezza pari 20mV, cosa succede all uscita? Perché non è quella che ci si aspetterebbe?

8 Esercizio 3: Progettare un amplificatore operazionale in configurazione invertente (Figura 1), utilizzando l amplificatore operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137. a) Dimensionare le resistenze per avere un guadagno pari a 120dB, utilizzare un alimentazione dual supply Vs = ±5 V. b) Simulare il circuito in AC per verificare il comportamento del circuito. Il guadagno desiderato è stato raggiunto? Perché? c) Per raggiungere le specifiche desiderate è necessario utilizzare due stadi in cascata come rappresentato in Figura 12 1 stadio CAP 2 stadio Figura 12 È necessario introdurre la capacità di disaccoppiamento C1 perché, come specificato nel datasheet, il componente ha una tensione di offset dell ordine dei mv, e tale tensione sarebbe amplificata dal secondo stadio causando possibili problemi di saturazione verso le alimentazioni (come nell esercizio 2-f). Disegnare lo schematico proposto in Figura 12 e dimensionare i componenti (R1, R2, R3, R4 e C1) in modo che: Il guadagno di 120 db sia distribuito equamente tra i due stadi (60dB per ogni stadio) La frequenza di taglio del passa alto introdotta da C1-R4 sia pari a circa 1Hz d) Simulare il circuito in AC per verificare che la risposta in frequenza sia quella desiderata e) Simulare il circuito in transitorio scegliendo un ampiezza del segnale di ingresso tale da non fare saturare le uscite (le alimentazioni sono sempre Vs = ±5 V). Plottare i segnali vin, vout e out2 e verificare che le ampiezze siano coerenti con quanto atteso.

9 Esercizio 4: Progettare un inseguitore di tensione (Figura 13) utilizzando l amplificatore operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137, utilizzate un alimentazione dual supply Vs = ±5 V Figura 13 a) Disegnare lo schematico e simulare il circuito in AC. Quant è il guadagno? b) Simulare il circuito in transitorio usando come ingresso un generatore di impulsi (VPULSE) utilizzando i seguenti parametri: Parametro Valore PER (periodo) 101ms PW (durata dell impulso) 100m TD (ritardo iniziale) 1m TF (tempo di discesa) 5u TR (tempo di salita) 5u V1 (tensione iniziale) -3 V2 (tensione finale) 3 V2 TD TR PW TF V1 PER c) Plottare la tensione di ingresso e la tensione di uscita, fare uno zoom sul gradino e osservare la pendenza della curva di ingresso e della curva di uscita. Come sono tra loro? Calcolare la pendenza della curva. d) Ripetere la simulazione utilizzando i seguenti parametri: Parametro PER (periodo) PW (durata dell impulso) TD (ritardo iniziale) TF (tempo di discesa) TR (tempo di salita) Valore 101ms 100m 1m 1u 1u

10 V1 (tensione iniziale) -3 V2 (tensione finale) 3 e) Plottare nuovamente la tensione di ingresso e la tensione di uscita, fare uno zoom sul gradino e osservare la pendenza della curva di ingresso e della curva di uscita. Adesso come sono tra loro? Calcolate la pendenza della curva relativa al segnale di uscita. A quale parametro estratto dal datasheet è assimilabile tale valore? Esercizio 5: Progettare un amplificatore per strumentazione (Figura 14) utilizzando l amplificatore operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137, utilizzate un alimentazione dual supply Vs = ±5 V Figura 14 a) Tenendo conto della relazione ingresso-uscita: V out V in = (1 + 2R 1 R gain ) ( R 3 R 2 ) Dimensionare il circuito utilizzando per R1 R2 e R3 un valore pari a 10kΩ e scegliere Rgain in modo tale da avere guadagni, in valore assoluto, pari a 2, 6, 10, 20 V/V. b) Simulare il circuito in AC con i diversi valori di Rgain per verificare che effettivamente il guadagno sia quello desiderato.