Anche questa relazione è in parte già predisposta, ma rispetto alla precedente è più ampia la parte a compilazione libera.

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1 Esercitazione 5 (C7-U16) Amplificatori operazionali reali Scopo dell esercitazione Gli obiettivi di questa esercitazione sono: - Analizzare il comportamento di amplificatori operazionali reali - Misurare i parametri di amplificatori operazionali reali, - Verificare alcune deviazioni rispetto al modello di AO ideale. Come per l'esercitazione precedente è previsto il confronto tra i risultati di calcoli e simulazioine 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. Per questa esercitazione gli homework non sono indicati esplicitamente per tutte le misure. Possono essere svolte come homework o esercizio preparatorio la risoluzione analitica (e numerica!) e la simulazione del circuito, confrontando i risultati con quanto successivamente rilevato sperimentalmente. Calcoli e simulazione sono sempre da preparare prima di iniziare la parte sperimentale, in modo da utiolizzare tutto il tempo disponibile nel laboratorioper la parte sperimentale. 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 A4, che comprende quattro diversi circuiti premontati. Esecuzione delle misure Per ciascuna misura viene utilizzato uno dei circuiti premontati sul modulo sperimentale, predisposto secondo la configurazione indicata. Nota: Anche in questa esercitazione in cui vengono utilizzati circuiti attivi, che richiedono alimentazione. Rivedere le avvertenze in merito nelle esercitazioni precedenti. Page 1 of 16

2 5.1 - Offset e saturazione di amplificatore DC Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo A4-1, e configurarlo come indicato nello schema J16 LM538 J14 S1 V S V I - J17 R11 10k R10 12k R9 100k J18 R12 2,2 kω Tabella interruttori (1 = Aperto 2 = Chiuso) S1 S2 S3 Aperto = R12 non inserita Chiuso = R12 (2,2 kω) inserita Aperto Aperto Misure Applicare all ingresso un segnale sinusoidale a frequenza 1 khz e ampiezza variabile in base alle misure da eseguire. a) Verificare la presenza di saturazione (limite sulla dinamica di uscita) b) Tracciare la caratteristica Vo(Vi) c) Verificare che la dinamica di uscita dipende dalle tensioni di alimentazione, ed esprimere attraverso un modello analitico il legame tra tensione di alimentazione e dinamica di uscita (in queste misure mantenere costante il carico). d) Verificare che la dinamica di uscita dipende dal carico, e derivare un modello grafico del comportamento in uscita dell Amplificatore Operazionale al variare del carico (in queste misure mantenere costante la tensione di alimentazione). Verifiche qualitative di questi effetti sono state eseguite anche nell esercitazione precdente; in questa esercitazione viene richiesto di eseguire misure quantitative, e utilizzare i risultati per ricavare modelli analitici (equazioni) o grafici (diagrammi). Page 2 of 16

3 5.2 - Correnti I B e I OFF Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo A4-2, e configurarlo come indicato nello schema S5 J19 J20 LM358 V I R14 1 MΩ - J24 R13 1MΩ J22 J23 J21 S4 Tabella interruttori (1 = Aperto 2 = Chiuso) S5 S4 Aperto = R14 inserita Chiuso = R14 (1MΩ) cortocircuitata Aperto = R13 inserita Chiuso = R13 (1MΩ) cortocircuitata Misure Applicare all ingresso un segnale sinusoidale a frequenza 1 khz e ampiezza 100 mv eff Agendo sugli interruttori inserire e disinserire in serie ai due ingressi le resistenze da 1 Mohm, e verificarne l effetto in uscita R14 R13 0 Ω 0 Ω 0 Ω 1 MΩ 1 MΩ 0 Ω 1 MΩ 1 MΩ a) Ricavare dalle misure precedenti il valore delle correnti circolanti nei morsetti di ingresso; b) Definire un modello per il circuito di ingresso che tenga conto di tali correnti. Per eseguire queste misure l oscilloscopio deve essere accoppiato in DC. Se necessario variare l ampiezza del segnale di ingresso in modo da eseguire più agevolmente le misure. Page 3 of 16

4 5.3 - Tensione di offset di ingresso (V OFF ) Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo A4-3. J5 J7 R2 10k J4 V I R4-10 Ω J6 LM358 R3 10 Ω R1 10k J2 J3 Questo modulo non utilizza interruttori Misure a) Calcolare la tensione in uscita dovuta alle correnti di ingresso (per le correnti utilizzare i valori misurati nel punto 5.2). b) Misurare la tensione in uscita per V I = 0. Il valore ottenuto è giustificato dalle correnti di ingresso misurate? c) Dalle misure effettuate ricavare un modello del circuito di ingresso. d) Calcolare il valore della tensione di ingresso V I necessario per ottenere = 0. Verificare sperimentalmente quanto calcolato. L ultimo punto richiede l applicazione all ingresso di una tensione continua piccola e nota. Tale tenzione può essere fornita direttamente da alcuni generatori di segnale, oppure può essere ricavata dall alimentazione con un partitore. Page 4 of 16

5 5.4 - Guadagno ad anello aperto A d Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo A4-4. J9 R8 1k J10 R5 10k V I J12 R6 100k J8 V d - LM358 J11 R7 100Ω J13 C µf Questo modulo non utilizza interruttori. Misure Misurare il guadagno ad anello aperto. La tensione differenziale di ingresso Vd è molto piccola e difficilmente misurabile; il partitore formato da R6 e R7 permette di avere su J10 un segnale misurabile in rapporto noto con la V d. La frequenza alla quale viene eseguita la misura deve essere scelta in modo tale che il condensatore C13 abbia una reattanza molto più piccola di R7. Page 5 of 16

6 5.5 - Slew rate Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo A4-1, e configurarlo come indicato nello schema J16 LM358 J14 V S V I - J17 R11 10k R10 12k R9 100k J18 S2 C 5 10 nf S3 C 6 1 nf Tabella interruttori (1 = Aperto 2 = Chiuso) S1 S2 S3 Aperto Aperto = C5 non inserito Chiuso = C5 (10nF) inserito Aperto = C6 non inserito Chiuso = C6 (1nF) inserito Misure Applicare segnale a onda quadra e verificare la limitazione da slew rate Applicare un segnale sinusoidale e verificare la presenza di distorsione da slew rate (il segnale di uscita prende una forma approssimativamente triangolare); Misurare lo slew rate massimo del circuito. Calcolare, dato lo slew rate indicato sulle specifiche, la massima frequenza per cui un segnale di 1 V PP in uscita non é soggetto a distorsione a causa dello slew rate. Verificare con misure il risultato. Verificare l effetto sullo slew rate dei condensatori in uscita. Page 6 of 16

7 Schema completo della piastra di misura Modulo A4 1. V S R11 10k J16 - LM358 R9 100k J14 S1 R12 2,2k S2 S3 J18 R10 12k J15 J17 C5 10 nf C6 1 nf Modulo A4 2. J19 J20 S5 J22 R14 1M LM358 V S J21 - R13 1M J24 S4 J23 Page 7 of 16

8 Modulo A4 3. J5 J4 R2 10k LM358 J2 V I R4-10 Ω R1 10k J7 R3 10 Ω J6 J3 Modulo A4 4. J9 J10 J11 R8 1k R5 10k V I J8 J12 R6 100 k R7 100Ω V d - LM358 J13 C13 100µF Page 8 of 16

9 Modulo per la relazione Esercitazione 5: Amplificatori operazionali reali 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 9 of 16

10 Risultati delle misure Offset e saturazione di amplificatore DC Offset in uscita (calcolato) Offset in uscita (misurato) Caratteristica Vo(Vi) V O [V] xx xx t [ms] Livello di uscita a cui si manifesta saturazione Dipendenza dal carico Page 10 of 16

11 Misure con alimentazioni a - 12 V campo di linearità Soglia di saturazione A vuoto Carico 1 k Carico 100 ohm Misure con alimentazioni a - 8 V campo di linearità Soglia di saturazione A vuoto Carico 1 k Carico 100 ohm caratteristica Vo(Vi) Collegamenti e predisposizione degli strumenti per visualizzare la caratteristica su oscilloscopio Page 11 of 16

12 5.2 - Correnti I B e I OFF Tensione in uscita per ciascuna condizione R4 R5 Vu 0 Ω 0 Ω 0 Ω 1 MΩ 1 MΩ 0 Ω 1 MΩ 1 MΩ Correnti circolanti nei morsetti di ingresso; Modello per il circuito di ingresso. Page 12 of 16

13 5.3 - Tensione di offset di ingresso (V OFF ) Tensione in uscita dovuta alle correnti di ingresso (calcolo dai valori misurati al punto 5.2). Tensione in uscita per V I = 0. Relazione con le correnti di ingresso misurate? Modello del circuito di ingresso. Tensione di ingresso V I necessaria per = 0 (calcolo) Tensione di ingresso V I necessaria per = 0 (misura) Page 13 of 16

14 5.4 - Guadagno ad anello aperto A d Guadagno ad anello aperto Page 14 of 16

15 5.5 - Slew rate Slew rate massimo (da misure su onda quadra) Massima frequenza per segnale di 1 V PP in uscita non soggetto a distorsione da slew rate. Valore calcolato dalle specifiche Valore calcolato dalla misura su onda quadra Valore misurato Effetto di C1 sullo slew rate. Effetto di C2 sullo slew rate. Page 15 of 16

16 Storia del documento Rev Rev Rev DDC varianti per Sistemi Elettronici Rev DDC inserimento descrizione Rev DDC confronto con 3, 4 Rev DDC cambiati nomi per coerenza con piastre Documenti collegati Selabman1.doc manuale generale per le esercitazioni di laboratorio Page 16 of 16