SISTEMI ELETTRONICI. SisElnC4 23/01/ DDC 1. Ingegneria dell Informazione. Obiettivi del gruppo di lezioni C

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1 Ingegneria ell Informazione Obiettivi el gruppo i lezioni C Moulo SISTEMI ELETTRONICI C MPLIFICTORI OPERZIONLI C.4 Progetto i mouli con. O.» Comportamento inamico.o.» Progetto i amplificatori» Come limitare gli errori» Esempi i altri mouli mplificatori operazionali e reazione negativa Uso ella reazione negativa per ottenere amplificatori con parametri ben controllati. Tecniche per realizzare amplificatori e altri circuiti con elementi attivi (. operazionali) e reazione negativa. Parametri egli O reali; moelli i O reale, limiti ei moelli, ata sheet Criteri per eterminare il campo i valori utilizzabile per i componenti passivi nalisi i circuiti con amplificatori operazionali (o progetto senza scelte libere) Misure i laboratorio per ricavare le caratteristiche e i limiti i un amplificatore. 23//28 SisElnC4 28 DDC 23//28 2 SisElnC4 28 DDC Contenuti i questa lezione (C4) Risposta in frequenza i un.o. Risposta in frequenza i.o. reali. Circuiti a oppia e singola alimentazione Esempi i progetto per circuiti con.o. scelta ei componenti Esempi i altri mouli sommatore amplificatore ifferenziale comparatore celle el II orine Riferimenti nel testo: cap 7.5 La risposta a anello aperto ( ) ha un unico polo P a F, a cui inizia la iscesa 2 B/ec, con attraversamento ell asse B a F3. La posizione i P è variabile, e legata al valore i. Unico parametro noto e significativo è il prootto bana*guaagno: P BG (GBP, GBW) F F3 23//28 3 SisElnC4 28 DDC 23//28 4 SisElnC4 28 DDC Prootto bana * guaagno Effetti el limite in frequenza Il prootto bana*guaagno BG è costante per tutti i punti el tratto con penenza unitaria BG *F BG 2*F2 2 BG 3*F3 per 3 ( B) 3 BG F3 F F2 F3 Il guaagno a anello aperto iminuisce verso le frequenze elevate, i conseguenza iminuisce e iventa complesso:» aumentano gli errori (eviazioni al comportamento ieale)»rxiventano Zx(ω)» l errore i guaagno aumenta (in moulo) per amplificatori con ingresso in: tensione corrente» O ieale ( ) Ri Ri» O reale ( finito) Zi iminuisce Zi aumenta per amplificatori con uscita in: tensione corrente» O ieale ( ) Ru Ru» O reale ( finito) Zu aumenta Zu iminuisce 23//28 5 SisElnC4 28 DDC 23//28 6 SisElnC4 28 DDC 28 DDC

2 Risposta in frequenza Risposta in frequenza con reazione Riportiamo su uno stesso iagramma il guaagno a anello aperto e / Caso semplice: Unico polo a F Discesa 2 B/ec Prootto Gua*bana F2 Diagramma / costante ( resistivo) / F F2 per ω << ω a >> / trascurabile rispetto a rni / anamento come per.o. ieale / ω a zona ω << ω a 23//28 7 SisElnC4 28 DDC 23//28 8 SisElnC4 28 DDC Risposta in frequenza con reazione Risposta in frequenza con reazione per ω >> ω a rni / Per ω ω a j 2 anamento come per.o. ieale per ω >> ω a, / << / non vale la formula approssimata è complesso / 3B trascurabile rispetto a / rni ω a il guaagno cala i 3 B ω a zona ω << ω a zona ω >> ω a zona ω << ω a zona ω >> ω a 23//28 9 SisElnC4 28 DDC 23//28 SisElnC4 28 DDC Bana passante con reazione Calcolo ella bana passante (*) Risposta con reazione se >> prevale il comportamento ettato alla reazione»r / se << prevale il comportamento ettato a»r La bana passante con reazione ipene a (ω)» prootto guaagno*bana (GB)» () e posizione el polo» se resistivo è costante nalisi semplificata: Risposta in frequenza nel tratto a estra el polo. Guaagno con reazione non ieale Posizione el polo el guaagno a anello chiuso () () ω 2 ( ω) sτ sτ s s ω τ s () 2 23//28 SisElnC4 28 DDC 23//28 2 SisElnC4 28 DDC 28 DDC 2

3 Bana passante con reazione (*) Bana passante con reazione (*) Calcolo ella bana passante con reazione Calcolo ella bana passante con reazione ha un polo a τ o () ( ω) sτ Quale posizione ha il polo i r (τ r )? Come si colloca il polo i r rispetto a quello i? o () sτo () () sτo sτ () () τo s () τo τr () o ha un polo a τ o () ( ω) sτ Quale posizione ha il polo i r (τ r )? Come si colloca il polo i r rispetto a quello i? o () sτo () () sτo sτ () () τo s () τo τr () o 23//28 3 SisElnC4 28 DDC 23//28 4 SisElnC4 28 DDC Specifiche inamiche al ata sheet Esercizio mplificatore operazionale con () B, polo a Hz, ri. namento i r(ω)? mplificatore operazionale con prootto guaagno*bana MHz quale bana (a 3 B) per r? Quale guaagno massimo per bana pari almeno a 5 khz? 23//28 5 SisElnC4 28 DDC 23//28 6 SisElnC4 28 DDC Stabilità ei circuiti con reazione (*) Stabilità ei circuiti con reazione (*) l polo è associata una rotazione i fase Se il guaagno è >, quano la fase ruota i π (8 ), la reazione iventa positiva. La conizione corrispone a avere ue poli prima i ω (incrocio con asse B) (ra) π/2 π Operazionali intrinsecamente stabili solo un polo prima ell incrocio / B»con reazione lineare resistiva sono stabili» non richieono compensazione sono i uso generale Operazionali non intrinsecamente stabili più i un polo prima ell incrocio / B» con reazione lineare passiva possono oscillare» richieono compensazione sono usati in applicazioni particolari (alta velocità, ) 23//28 7 SisElnC4 28 DDC 23//28 8 SisElnC4 28 DDC 28 DDC 3

4 Slew rate Distorsione a slew rate La velocità i variazione ella tensione in uscita è limitata, a causa i saturazioni i tensioni interne all amplificatore limitazione elle correnti che caricano/scaricano capacità. Parametro Slew Rate: SR V/ T Per segnali sinusoiali SRmax max(v/t) max(ω V cosωt) ωv Per ona quara SR V/Tr(o Tf) Tf V V Quano SRsegnale > SRamplificatore saturazione inamica: V/t massimo l uscita è un segnale triangolare Vu SR massimo ell.o. Esempio aumentano ω Esempio aumentano V SR massimo el segnale t 23//28 9 SisElnC4 28 DDC 23//28 2 SisElnC4 28 DDC Specifiche inamiche al ata sheet Es 2: Limite in frequenza e slew rate Quale è lo S.R. i un segnale i 25 khz, 2 Vpp? Il TIL8 viene usato per un amplificatore con guaagno 4 Quale è il limite i bana (superiore)? Quale è la massima ampiezza el segnale sinusoiale applicabile in ingresso prima che intervenga istorsione a slew rate? Quale è la massima frequenza per cui l amplificatore può fornire una escursione in uscita a 2 a 2 V? 23//28 2 SisElnC4 28 DDC 23//28 22 SisElnC4 28 DDC Contenuti i questa lezione (C4) Circuiti a singola alimentazione Risposta in frequenza i.o. reali. Circuiti a oppia e singola alimentazione Esempi i progetto per circuiti con.o. scelta ei componenti Esempi i altri mouli sommatore amplificatore ifferenziale comparatore celle el II orine circuiti nonlineari Ogni rete ha un noo i riferimento (massa, V,GND) L.O. non ha un morsetto massa o V, ma... i segnali sono misurati rispetto al riferimento limentazione oppia (esempio): simmetrica: ± 5 V, riferimento a V asimmetrica:, 5 V, riferimento a oppure 2,5 V limentazione singola (esempio) V, riferimento a 5V La tensione i riferimento eve essere costruita parteno alle tensioni i alimentazione. 23//28 23 SisElnC4 28 DDC 23//28 24 SisElnC4 28 DDC 28 DDC 4

5 Tensione i riferimento Riferimento con alimentaz. singola VI R V L VL limentazione singola: valore intermeio ell alimentazione come tensione i riferimento (V R ). VI VR limentazione uale: la tensione i riferimento è il noo centrale ell alimentazione. V R R VR VL Ra Rb V R C I segnali (tensioni variabili) evono essere riferiti a una tensione costante (massa, altra tensione i riferimento). Nei circuiti a singola alimentazione, per consentire variazioni positive e negative, viene costruita una tensione i riferimento intermeia. Il riferimento viene ottenuto a partire alle tensioni i alimentazione, e eve essere freo (una tensione costante, massa per il segnale). 23//28 25 SisElnC4 28 DDC 23//28 26 SisElnC4 28 DDC Segnali in uscita Contenuti i questa lezione (C4) limentazione oppia Val Rif. GND Val V t Risposta in frequenza i.o. reali. Circuiti a oppia e singola alimentazione Esempi i progetto per circuiti con.o. scelta ei componenti limentazione singola entrambi railtorail Val Rif. Val/2 GND V t Esempi i altri mouli sommatore amplificatore ifferenziale comparatore celle el II orine circuiti nonlineari 23//28 27 SisElnC4 28 DDC 23//28 28 SisElnC4 28 DDC Progetto i circuiti con.o. Progetti reali Definizione ella funzione amplificatore, filtro, ; segnali i ingresso e uscita V/I; configurazione inv/noninv. Struttura i massima (schema) cause i errore, componenti critici; scelta ell.o. Progetto in base alle specifiche.o. e componenti ieali. nalisi errori.o. e componenti reali maschera i prestazioni/comportamenti attesi. Progetti reali molti parametri liberi moltesoluzioni corrette (rispettano le specifiche ichiarate) una soluzione ottimale per le specifiche implicite» consumo, costo, manutenibilità,. Tipi i progetti in questo moulo un solo parametro libero unica soluzione corretta auspicabile» iniviuare i grai i libertà e i compromessi,» proporre alternative» inicare gli effetti elle scelte 23//28 29 SisElnC4 28 DDC 23//28 SisElnC4 28 DDC 28 DDC 5

6 Esempio : progetto i amplificatore Esempio b Specifica funzionale: realizzare un amplificatore i tensione con» guaagno v,» inamica i uscita Vu a.. V su carico i kω» bana a DC a khz» Ringr 5 kω vincoli:» Usare circuito con.o., oppia alimentazione ± 5 V Proceura tracciare schema e iniviuare le relazioni utili progetto per.o. ieale scelta ell.o. e verifica specifiche con componenti reali Scelta ella configurazione amplificatore i tensione invertente limite i bana con Z in reazione relazioni significative»v»ri» polo in ω Progetto per.o. ieale guaagno» bana»c VI R O sc VI R C 23//28 3 SisElnC4 28 DDC 23//28 32 SisElnC4 28 DDC Esempio c Esercizio 2: altro amplificatore (*) Scelta ell mplificatore Operazionale eve soisfare» inamica i uscita (legata alle alimentazioni)» bana richiesta (F2 almeno *k) Verifica specifiche con componenti reali errori statici» guaagno R» offset errori inamici» bana*guaagno VI»slewrate O C Specifica funzionale: realizzare un amplificatore i tensione con» guaagno v 2,» inamica i uscita Vpp su carico i kω» bana a Hz a 2 khz» Ringr > kω vincoli:» Usare circuito con.o., singola alimentazione a 2 V. Proceura tracciare schema e iniviuare le relazioni utili progetto per.o. ieale scelta ell.o. e verifica specifiche con componenti reali 23//28 33 SisElnC4 28 DDC 23//28 34 SisElnC4 28 DDC Esercizio 2 b (*) Esercizio 2 c (*) Scelta ella configurazione Scelta ell mplificatore Operazionale (componente) Iniviuare eventuali grai i libertà introurre ulteriori vincoli Verifica specifiche con componenti reali Progetto per.o. ieale Valutare eventuali alternative moificare i vincoli aggiuntivi 23//28 35 SisElnC4 28 DDC 23//28 36 SisElnC4 28 DDC 28 DDC 6

7 Contenuti i questa lezione (C4) Esempio: Convertitore D/ Risposta in frequenza i.o. reali. Circuiti a oppia e singola alimentazione Esempi i progetto per circuiti con.o. scelta ei componenti Esempi i altri mouli sommatore amplificatore ifferenziale comparatore celle el II orine circuiti nonlineari Convertitore Digitale/nalogico (D/) Specifica funzionale: convertire un numero igitale binario nella granezza analogica corrisponente Struttura: può essere utilizzato un sommatore sommare ingressi con peso scalato a potenze i 2» Ogni ingresso vale / 5V a secona ello stato el bit corrisponente 23//28 37 SisElnC4 28 DDC 23//28 38 SisElnC4 28 DDC Sommatore a ingressi pesati Convertitore D/ a 4 bit La tensione Vu è V R somma pesata ei Rf 4 ingressi (Gi /Ri) V 3 Vu V 4 _ Vu R4 Rf*(V*GV2*G2V3*G3V4*G4) G, G4 sono scalate a potenze i 2 (, 2, 4, 8) Le resistenze sono R, R/2, R/4, R/8 Se V V2 V3 V4 V, le correnti sono:.o. I V/R, I2 V/(R/2) 2*I, I3 V/(R/4) 4*I, I Lo SW Si è comanato al bit Bi Ciascuna corrente Ii vale o Vr*Gi a secona ello stato logico i ciascuna cifra i un numero binario i 4 bit. Il circuito è un convertitore Digitale/nalogico (D/) a 4 bit posizione MSB LSB bit B4 B3 B2 B peso S S2 S3 S4 V R V V 3 V 4 R R4 I Rf _.O. Vu 23//28 39 SisElnC4 28 DDC 23//28 4 SisElnC4 28 DDC Esercizio 3: analisi convertitore D/ mplificatore a strumentazione (*) R 8 k, 2 k, Rf 5 k, 4 k R4 k Vr 3 V Quanto vale LSB? Quale fono scala (Vu per )? D: : 8 4 2? D: ;? S S2 S3 S4 V R V V 3 V 4 R R4 Rf _.O. Vu Specifica funzionale: amplificatore ifferenziale con elevata CMRR Problemi el ifferenziale classico La asimmetria elle Zi introuce iversa partizione con le Rg Un segnale i MC Rg (Vs Vs2) viene V S trasformato in ifferenziale, Rg2 e amplificato.» Peggiora la CMRR V S2 V R R4 O V U D: ;? come simmetrizzare le Zi? 23//28 4 SisElnC4 28 DDC 23//28 42 SisElnC4 28 DDC 28 DDC 7

8 Richiami sul Voltage Follower Simmetrizzazione con V.F. Con (la Vu viene riportata irettamente su IN): v Voltage follower sugli ingressi Zi alta e uguale su entrambi gli ingressi mplificatore i tensione a guaagno unitario inseguitore i tensione voltage follower V I alta Ri bassa Ru V U V V R O V 2 R4 23//28 43 SisElnC4 28 DDC 23//28 44 SisElnC4 28 DDC mplificatore a strumentazione (*) Es. 4: mpl. a strumentazione (*) Inserimento i guaagno sui voltage follower V V R R5 R6 R7 O V 2 R4 nalisi i amplificatore a strumentazione valori nominali R»R» R4»R5 R7»R6 D nominale ( C ) tolleranze R %, analisi caso peggiore calcolo CMRR» ovuta a R» ovuta a.o. 23//28 45 SisElnC4 28 DDC 23//28 46 SisElnC4 28 DDC Comparatore i soglia Esempio: cella el II orine (*) mplificatore operazionale a anello aperto guaagno molto alto ( M) per tensioni i ingresso i pochi microvolt l uscita satura a Val o Val lo stato ell uscita ipene al segno ella V Moulo con ingresso continuo (analogico) e uscita praticamente a ue stati (numerica) confronta V con V VI Sceglieno per ciascuna Z il componente (R o C) opportuno si ottiene una funzione el II orine tipo passa basso: Vu/Vi Z Z2 Z4 Z5 Z6 O 23//28 47 SisElnC4 28 DDC 23//28 48 SisElnC4 28 DDC 28 DDC 8

9 Esercizio 5: cella passabasso (*) Esercizio 5 b R R5 V I C4 C6 O Diagramma i Boe R V I R5 C4 C6 O V U V U R. V U/VI ω n? ξ? ωn 23//28 49 SisElnC4 28 DDC 23//28 5 SisElnC4 28 DDC Esercizio 5 c Elemento nonlineare in reazione Risposta al transitorio R V I R5 C4 C6 O V U Specifica funzionale: ottenere Vu K log Vi» elevata inamica» bassi errori» larga bana I Bipolo con V k log k2 I V Circuito base Circuito con operazionale (transresistenza) 23//28 5 SisElnC4 28 DDC 23//28 52 SisElnC4 28 DDC Circuito logaritmico (*) Sommario lezione C4 mplificatore i transresistenza Bipolo logaritmico in reazione nalisi i circuito con ati numerici Risposta in frequenza i.o. reali. Circuiti a oppia e singola alimentazione Esempi i progetto per circuiti con.o. scelta ei componenti Esempi i altri mouli sommatore amplificatore ifferenziale comparatore celle el II orine circuiti nonlineari 23//28 53 SisElnC4 28 DDC 23//28 54 SisElnC4 28 DDC 28 DDC 9

10 Lezione C4: omane i riepilogo Prossime lezioni Un amplificatore operazionale ha un prootto bana*guaagno i MHz. Posso usarlo per realizzare un amplificatore con reazione che ha un guaagno pari a a 2 khz? Quali tensioni i uscita possiamo ottenere a un operazionale alimentato a 5V e V? Quali sono le ifferenze tra un esercizio e un progetto reale? Quale circuito permette i realizzare un sommatore? Come si può realizzare un comparatore i soglia? Quali sono le caratteristiche i un amplificatore a strumentazione? Inicare ue applicazioni che richieo l impiego i voltage follower. Esercizi Esercizi su parti, B, C Laboratorio C Misure su circuiti con.o. Lezione M: transistore MOS Parte D: Circuiti logici Prerequisiti:» algebra i Boole» risposta i celle RC 23//28 55 SisElnC4 28 DDC 23//28 56 SisElnC4 28 DDC 28 DDC