Esercitazione 3 Amplificatori operazionali con reazione

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1 Esercitazione 3 Amplificatori operazionali con reazione 1. Introduzione Scopo dell esercitazione Gli obiettivi di questa esercitazione sono: - Analizzare il comportamento di amplificatori operazionali reazionati - Misurare i parametri di amplificatori realizzati con AO, - Verificare alcune deviazioni rispetto a quanto prevedibile con il modello di AO ideale. 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. Anche questa relazione è in parte già predisposta, ma rispetto alla precedente è più ampia la parte a compilazione libera. 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 A3 (AMPLIFICATORI). Note: In questa guida gli spazi predisposti per i risultati delle misure sono presenti solo nel modulo finale per la relazione. Per alcune misure occorre cambiare la componente continua del segnale di ingresso. Utilizzare nei generatori di segnale il comando offset. Alimentare i circuiti con tensioni di +12 V e -10 V. Rivedere le avvertenze sull'uso degli alimentatori della esercitazione precedente; in questo caso le alimentazioni positva e negativa sono diferenti, e alcune esperienze richiedono di variare in modo indipendente le tensionid ialimentazionepositiva e negativa. Non è quindi possibile usare il "tracking". Esecuzione delle misure Per ciascuna misura viene utilizzato uno dei circuiti premontati sul modulo sperimentale, predisposto secondo la configurazione indicata. In questa guida non viene indicato il collegamento degli strumenti; utilizzare quello visto per l esercitazione precedente, con le varianti richieste (in alcuni casi sono richieste misure su nodi interni, anzichè sui soli morsetti di ingresso/uscita). SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 1 of 16

2 2. Misure e simulazioni Amplificatore non invertente Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo A3-1, e configurarlo come indicato nella tabella interruttori. Nel seguito il termine "amplificatore" indica il circuito completo (parte entro il quadro tratteggiato). S3 J3 V S R3 4,7k V I J7 J4 + - ua741 R2 12k R1 100k J8 J2 V U S7 R5 2,2k Tabella interruttori S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 1 aperto 2 chiuso 1 R3=4.7k inserita 2 R3 cortocircuitata 2 chiuso 1 aperto 1 aperto 1 R5 non inserita 2 R5=2.2k inserita Homework Calcolare il guadagno dell amplificatore Stimare le resistenze equivalenti di ingresso e di uscita dell'amplificatore per i seguenti parametri relativi all AO: Rid>1MΩ Ro<100Ω Ad> SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 2 of 16

3 Misure Misurare il guadagno Vu/Vi. (Vs= 0,5Vp sinusoidale, f=2khz, con oscilloscopio o multimetro ACV Attenzione: va misurato Vu/Vi, non Vu/Vs). Agendo su S3 e S7 verificare che la resistenza di ingresso sui morsetti Vi è molto alta, e che la resistenza di uscita sui morsetti Vu è molto bassa. Misura della resistenza di ingresso di un modulo Una delle tecniche per misurare la resistenza di ingresso è la seguente: si inserisce una resistenza in serie al generatore (per eseguire una misura più precisa, la resistenza esterna è preferibile abbia un valore dello stesso ordine di grandezza rispetto al valore stimato per la resistenza di ingresso). La resistenza forma un partitore con la resistenza di ingresso del modulo; del partitore una resistenza è nota (quella inserita volutamente), l altra è incognita. Da misure della tensione prima e dopo la resistenza (quindi all ingresso e all uscita del partitore), è possibile determinare il valore della resistenza incognita. Misura della resistenza di uscita di un modulo La tecnica di misurare tensione a vuoto e corrente di cortocircuito è applicabile sulla carta ma non in laboratorio: il cortocircuito all uscita può portare il modulo in zona di funzionamento non lineare (saturazione), dove non è più valido il modello per piccolo segnale. E invece possibile inserire un carico (tale da mantenere il modulo in linearità condizione verificabile osservando il segnale con un oscilloscopio), e misurare la variazione tra tensione a vuoto e tensione con il carico. Anche qui si tratta di calcolare una delle resistenze di un partitore, date le tensioni e l altra resistenza Confrontare le misure con i risultati dell homework. SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 3 of 16

4 2.2 - Amplificatore invertente Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo A3-2, e configurarlo come indicato nella tabella interruttori R10 100k J9 V I J14 R9 22k J10 J ua741 R8 10k V U J13 J11 Tabella interruttori S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 1 aperto 1 aperto 2 chiuso 1 aperto 1 aperto 1 R11 non inserita 1 R12 non inserita Homework Calcolare il guadagno, la resistenza di ingresso e quella di uscita, per una Ro intrinseca dell amplificatore operazionale =100Ω. Per gli altri parametri utilizzare i dati del circuito precedente. Simulare i punti citati nelle misure a) b) c) d) Misure Applicare all'ingresso un segnale triangolare di 2 Vpp, periodo 3 ms; in queste condizioni: a) Determinare il guadagno misurando il segnale in ingresso e in uscita; b) Verificare che il morsetto non invertente (+) dell'amplificatore operazionale sia a potenziale prossimo a zero (multimetro o oscilloscopio) c) Verificare che la tensione continua e quella di segnale sul morsetto invertente (-) dell'amplificatore operazionale sia prossima a zero (oscilloscopio). d) Aumentare l'ampiezza del segnale di ingresso fino a ottenere evidente distorsione (tosatura o clipping) nel segnale di uscita (circa 5 Vpp). e) Verificare il comportamento della tensione sul morsetto invertente (tensione differenziale d ingresso) quando l'uscita presenta distorsione. f) Verificare il comportamento della tensione sul morsetto invertente, in condizioni di saturazione dell uscita, al variare delle tensioni di alimentazione (variare ciascuna alimentazione entro un campo di +- 2V). SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 4 of 16

5 2.3 - Amplificatore differenziale Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo A3-2, e configurarlo come indicato nello schema J9 J10 R10 100k V I R6 10k R7 10k S8 S9 S10 R9 22k V 2 J ua741 J11 V U J13 R8 10k J14 S11 Gli interruttori permettono di ottenere come V2 una tensione corrispondente a frazioni della V1. Questo permette di verificare il funzionamento dell'amplificatore differenziale partendo da u unico segnale. Tabella interruttori (1 = aperto 2 = chiuso) chiudere un solo interruttore per volta S8 Selezione V2 = V1 S9 Selezione V2 = 2/3 V1 S10 Selezione V2 = 1/3 V1 S11 Selezione V2 = 0 S12 2 chiuso S13 1 R11 non inserita S14 1 R12 non inserita Homework: Calcolare Vu(Vi) per le varie configurazioni degli SW 8 11 (chiusi solo uno per volta). Misure Applicare all'ingresso un segnale sinusoidale di 0,5 V eff, frequenza 200 Hz. Misurare il valore del guadagno A V = V U /V I per le varie configurazioni (chiudere solo uno degli SW per volta). Per le misure di tensione usare l'oscilloscopio o il multimetro ACV Confrontare i risultati delle misure con quanto calcolato nell homework. SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 5 of 16

6 2.4 - Amplificatore AC Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo A3-1, e configurarlo come indicato nello schema S4 J3 J5 + LM358 S6 S1 J2 V S C5-100 nf V I J7 R4 10k J6 R1 100k R2 12k C3 10nF J8 V U S2 C4 100 nf Gli interruttori permettono di configurare il circuito come amplificatore DC o come amplificatore AC con variazioni di guadagno e di banda. Tabella interruttori (1 = aperto 2 = chiuso) S1 S2 S3 S4 S5 S6 1 aperto = C3 (10nF) non inserito 2 chiuso = C3 inserito 1 aperto = C4 (100 nf) inserito 2 chiuso = C4 cortocircuitato 2 chiuso 1 aperto = C5 (10 nf) inserito 2 chiuso = C5 cortocircuitato 2 chiuso 1 aperto Homework Valutare qualitativamente l effetto delle operazioni e), f), g) nella sezione Misure. SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 6 of 16

7 Misure Configurare il circuito come amplificatore DC con S4 chiuso S2 chiuso S1 aperto, a) Misurare il guadagno per segnali sinusoidali con frequenze di: 100, 1k, 10k, 100k Hz; 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). Per questa misura conviene portarsi nella zona di banda passante (guadagno massimo), impostare il livello di segnale a un valore tale da ottenere sull uscilloscopio una traccia che sfrutta tutta o quasi l ampiezza (verticale) dello schermo, e variare la frequenza fino a quando l ampiezza misurata in uscita cala di 3 db (0,707). c) Applicare un segnale ad onda quadra di ampiezza tale da mantenere il circuito in linearitá. Dato che l onda quadra non permette di osservare direttamente la presenza di saturazione, per verificare che il circuito sta lavorando in linearità, variare l ampiezza della tensione di ingresso e verificare che vari di conseguenza l ampiezza della tensione di uscita. Portare l ingresso a un livello tale da ottenere in uscita fronti dell onda quadra con andamento esponenziale: se i fronti hanno pendenza costante siamo in condizioni di distorsione dinamica dovuta allo slew rate limitato. Scegliere la frequenza dell onda quadra e impostare la scala dei tempi dell oscilloscopio in modo da osservare agevolmente l esponenziale di tipo passa basso (presente su tempi brevi, immediatamente dopo il gradino), e quello di tipo passa-alto (presente su tempi più lunghi). Data la forte differenza delle due costanti di tempo, devono essere usate scale differenti. d) Applicare offset dal generatore e verificare che viene riportato amplificato in uscita. e) Inserire C3 (chiudere S1; mantenere S4 chiuso e S2 chiuso) : e1) verificare la variazione della risposta all onda quadra e2) verificare che C3 introduce un limite superiore di banda e3) verificare il guadagno in continua (variando l offset del generatore). La componente continua (DC) in uscita dipende, oltre che dalla componente continua all'ingresso, anche da altri fattori (offset, sbilanciamento delle alimentazioni, ). Per determinare il guadagno in continua conviene imporre variazioni della DC all'ingresso (usando il comando "offset" del generatore), verificare le corrispondenti variazioni in uscita, e calcolare il rapporto. f) Inserire C4 (aprire S2; mantenere S4 chiuso e S1 aperto): f1) verificare l influenza sulla risposta in frequenza f2) verificare la variazione della risposta all onda quadra g) Inserire C5 (aprire S4; mantenere S2 chiuso e S1 aperto): g1) verificare la variazione della risposta all onda quadra g2) Verificare il guadagno in continua (variando l offset del generatore) SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 7 of 16

8 h) Lasciando gli interruttori nell ultima configurazione raggiunta, 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. C3 e C4 (mantenere C5 cortocircuitato; conviene effettuare le due misure con diversa scala dei tempi). Vu t Nota: Nella misura del punto c), in alcuni casi espandendo la scala dei tempi a 1 µs/div si possono osservare risposte nel tempo del II ordine (oscillazioni smorzate). Questo comportamento nasce dai parameri parassiti del montaggio, e non è legato a quanto va osservato in questa esperienza di laboratorio. Con scala dei tempi più lenta, le oscillazioni non sono visibili perchè inglobate nel fronte del gradino. Le misure e le verifiche richieste in questo punto riguardano solo comportamenti del I ordine. SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 8 of 16

9 Schema completo della piastra di misura Modulo A3 1. J3 S3 J4 C nf J5 + LM358 J2 S7 V S R 3 4,7k J7 S4 R 4 10k S5 - R 1 100k R 2 12 k C 3 10nF S1 S6 SW1 J6 J8 V R 5 2,2k S2 C 4 100nF Modulo A3 2. J9 J10 R 9 22 k R k J11 J14 V S R 6 10 k R 7 10 k S12 S8 S9 S10 J12 V J13 LM358 V U R 11 1 k S13 S14 R Ω R 8 10 k S11 SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 9 of 16

10 3. Modulo per la relazione Esercitazione 4: Amplificatori operazionali con reazione Data: Gruppo n Tavolo n Composizione del Gruppo ruolo nome firma Esecuzione misure Stesura relazione Strumenti utilizzati Strumento Marca e modello caratteristiche Generatore di segnali: Oscilloscopio Alimentatore Circuito premontato Descrizione sintetica degli obiettivi SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 10 of 16

11 Amplificatore non invertente Homework Guadagno dell amplificatore: Resistenze equivalenti di ingresso e di uscita (valori stimati) Misure Guadagno Vu/Vi. Resistenze equivalenti Valori misurati per Vi S3 chiuso S3 aperto Ri (da Rs e misure di Vi) Valori misurati per Vu S7 chiuso S7 aperto Ru (da Rc e misure di Vu) (eventuale commento sui risultati delle misure) Confronto con i risultati dell homework. Guadagno G Guadagno G (db) Valore di Ri Valore di Ru Calcolato Misurato SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 11 of 16

12 Amplificatore invertente Homework Guadagno Resistenza di ingresso Resistenza di uscita Simulazioni (allegare grafici di Probe) Misure Guadagno Tensione sul morsetto invertente dell'amplificatore operazionale Livello di ingresso per cui si verifica distorsione (tosatura o clipping) nel segnale di uscita Comportamento del segnale differenziale di ingresso Vd quando l'uscita presenta distorsione (inserire disegno qualitativo). SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 12 of 16

13 Amplificatore differenziale Homework: Vu(Vi) per le varie configurazioni degli SW (chiusi solo uno per volta) Misure Guadagno A V = V U /V I per le varie configurazioni (uno SW chiuso per volta) SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 13 of 16

14 Amplificatore AC Misure Circuito configurato come amplificatore DC, Guadagno per segnali sinusoidali con frequenze di: 100, 1.000, , Hz; Frequenza di taglio superiore Forma d onda in uscita per segnale ad onda quadra Relazione tra offset del generatore e offset di uscita Circuito con C3 inserito: Variazione della risposta all onda quadra Guadagno in continua Limite superiore di banda Circuito con C4 inserito: Limite superiore di banda Variazione della risposta all onda quadra SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 14 of 16

15 Circuito con C5 inserito: Variazione della risposta all onda quadra Guadagno in continua Risposta a un segnale a onda quadra Costante di tempo associata al condensatore. C 3 Costante di tempo associata al condensatore. C 4 SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 15 of 16

16 Storia del documento Rev 1 Rev 2 Rev DDC varianti per Sistemi Elettronici Rev DDC confronto con 3 Rev DDC modificati nomi R e SW per coerenza con piastre Rev GG dopo verifica in laboratorio FM-GG e adeguamento a varianti di programma decisi il 19/07/02 Rev LM dopo rilettura generale e verifiche in laboratorio LM-GG-DDC Rev DDC piccole correzioni Rev DDC spiegazione alimentatori Rev DDC tolto alimentatori (messi nella 2), piccole modifiche SElab04R3g - DDC, GG, FM - rev 06/12/2004 5:56 PM Page 16 of 16