reazione 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 4 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 AMPLIFICATORI (A3). 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. 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). Nota: Anche in questa esercitazione vengono utilizzati circuiti attivi, che richiedono alimentazione. Rivedere le avvertenze nella esercitazione precedente. SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 1 of 18

2 Uso dell alimentatore duale Sui banchi sono disponibili alimantatori doppi o tripli. Per questa esercitazione occorre usare un alimentatore doppio, predisposto in modo da fornire rispetto a massa una tensione positiva di 12 V e una tensione negativa di 10 V (nell esercitazione precedente vengono usate tensioni simmetriche). Un alimentatore doppio (o duale) contiene due generatori di tensione indipendenti, portati su due coppie di morsetti (di solito rosso =positivo e nero=negativo) separate. Altri morsetti, marcati GND (generalmente di colore verde) sono collegati alla terra della rete elettrica. Massa (nodo scelto come potenziale zero di rifereimento nel circuito) e terra sono due cose diverse, che possono essere collegate assieme, ma vanno considerate nodi indipendenti. Con i collegamenti tra alimentatore e circuito occorre fare in modo che i due generatori indipendenti dell alimentatore forniscano al circuito una tensione positiva e una negativa rispetto a massa. In alcuni alimentatori doppi sono presenti altri comandi: Tracking (o serie ) Mette in inseguimento uno degli alimentatori; le tensioni fornite dai due diventano eguali, e controllate da un unico comando. Generalmente l attivazione del tracking chiude l interruttore SW, e mette in collegamento all interno dell alimentatore il morsetto positivo di un generatore con il negativo dell altro (corrispondenti a due morsetti adiacenti sul frontale). Questo nodo deve essere usato come potenziale di riferimento, e va collegato alla massa del circuito. La configurazione tracking va usata quando servono tensioni positive e negative identiche. Parallel Mette internamente in parallelo i due alimentatori, impostandoli sulla stessa tensione. Permette di aumentare la corrente erogabile. Independent Esclude sia il tracking che il parallel; rende indipendenti sia come morsetti che per i comandi i due generatori. SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 2 of 18

3 Quando sono richieste due tensioni differenti (positiva e negativa), occorre disabilitare entrambi i comandi Tracking e Parallel, e predisporre l alimentatore come independent. In questo modo le due regolazioni di tensione sono separate, e possono essere impostate su valori diversi. Non viene effettuata nessuna connessione interna, e occorre predisporre esternamente il collegamento a massa di ciascun generatore. In caso di dubbio sulla presenza o meno del collegamento interno, conviene fare comunque quello esterno. Negli alimentatori tripli, il terzo generatore ha comandi e collegamenti diversi da quelli sopra descritti. ALIMENTATORE + SW + Terra (rete elettrica) ROSSO NERO ROSSO NERO VERDE CIRCUITO IN PROVA Alimentazione positiva massa Alimentazione negativa SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 3 of 18

4 2. Misure e simulazioni Amplificatore non invertente Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo A3-1, e configurarlo come indicato nella tabella interruttori S3 J3 V S J4 + R3 4,7k - V I J7 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 per i seguenti parametri relativi all AO: Rid>1MΩ Ro<100Ω Ad> Misure Misurare il guadagno Vu/Vi. ( Vs= 1Vp sinusoidale, f=2khz, con oscilloscopio o multimetro ACV) 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. SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 4 of 18

5 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. SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 5 of 18

6 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 J ua741 R8 10k V U J13 J11 Tabella interruttori S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 1 aperto 1 aperto 1 aperto 2 chiuso 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; a) Determinare il guadagno misurando il segnale in ingresso e in uscita; b) Verificare che il morsetto invertente dell'amplificatore operazionale sia a potenziale continuo prossimo a zero (multimetro DCV o oscilloscopio) c) Verificare che la tensione 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). SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 6 of 18

7 2.3 - Amplificatore differenziale Predisposizione del modulo Utilizzare il modulo A3-2, e configurarlo come indicato nello schema J9 R9 22k J10 R10 100k V 1 S8 R6 10k R7 10k S9 S10 V 2 J ua741 J13 J11 V U R8 10k J14 S11 Gli interruttori permettono di ottenere come V2 una tensione corrispondente a frazioni della V1. 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 aperto S14 1 aperto 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 1 per le varie configurazioni (chiudere solo uno degli SW per volta) con oscilloscopio o multimetro ACV Confrontare i risultati delle misure con quanto calcolato nell homework. SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 7 of 18

8 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. SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 8 of 18

9 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 (ampiezza picco-picco in uscita pari a 12 V, corrispondente a circa metà dell intervallo tra le tensioni di alimentazione); rilevare la forma d onda in uscita (risposta al gradino). Si consiglia di impostare la scala dei tempi dell oscilloscopio in funzione della frequenza scelta in modo da osservare agevolmente gli esponenziali di salita e di discesa con scale differenti. In questa misura, espandendo la scala dei tempi a 1 µs/div si possono osservare risposte nel tempo del II ordine (oscillazioni smorzate). Questo comportamento nasce da 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. 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 il guadagno in continua (variando l offset del generatore) e3) verificare che introduce un limite superiore di banda 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) SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 9 of 18

10 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 due misure con diversa scala dei tempi). Vu t SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 10 of 18

11 Schema completo della piastra di misura Modulo A3 1. V S J3 S3 R 3 4,7k J7 J4 S4 R 4 10k S5 C F J5 + - LM358 R 1 100k R 2 12 k C 3 10nF S1 J6 J2 S6 V U J8 S7 R 5 2,2k S2 C 4 100nF Modulo A3 2. J9 J10 R 9 22 k R k J11 J14 V S S12 J12 - S8 R 6 10 k S9 R 7 10 k S10 V 2 + LM358 J13 V U R 11 1 k S13 S14 R Ω R 8 10 k S11 SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 11 of 18

12 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 SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 12 of 18

13 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 SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 13 of 18

14 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). SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 14 of 18

15 Amplificatore differenziale Homework: Vu(Vi) per le varie configurazioni degli SW (chiusi solo uno per volta) Misure Guadagno A V = V U /V 1 per le varie configurazioni (uno SW chiuso per volta) SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 15 of 18

16 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 SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 16 of 18

17 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 SElabR4E - DDC, GG, FM - rev :46 PM Page 17 of 18