Laboratorio di Progettazione Elettronica Esercitazione 1

Transcript

1 Laboratorio di Progettazione Elettronica Esercitazione 1 Esercizio 1: Progettare un amplificatore operazionale in configurazione invertente come rappresentato in Figura 1. Utilizzare l ampificatore operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137. Figura 1: amplificatore in configurazione invertente Traccia di soluzione: 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 A partire da questi valori calcolare la frequenza a 3dB dell amplificatore ad anello aperto. Considerando che: e che: c) Disegnare lo schematico relativo a un amplificatore operazionale invertente, dovreste ottenere il circuito di Figura 4. Utilizzate un alimentazione dual supply Vs= 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.

3 Figura 4 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 sia quello atteso. Di quanto sono sfasati il segnale di ingresso e quello di uscita? (il grafico che dovreste ottenere è riportato in Figura 6)

4 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 g) Modificare le alimentazioni del circuito in modo da renderle single supply. La tensione di alimentazione negativa dovrà quindi essere a massa, 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 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 massa, quella che prima era massa 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

5 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 ) h) Simulare il nuovo circuito in transitorio, il comportamento atteso è quello di Figura 8, 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. Figura 8 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? Esercizio 2: Progettare un amplificatore operazionale in configurazione non invertente come rappresentato in Figura 1. Utilizzare l ampificatore operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137. Figura 9

6 a) Disegnare lo schematico relativo a un amplificatore operazionale invertente, dovreste ottenere il circuito di Figura 10. Utilizzate un alimentazione dual supply Vs= 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 10 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? 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. 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 11

7 1 stadio CAP 2 stadio Figura 11 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 11 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 ). Plottare i segnali vin, vout e out2 e verificare che le ampiezze siano coerenti con quanto atteso. Esercizio 4: Progettare un inseguitore di tensione (Figura 12) utilizzando l amplificatore operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137, utilizzate un alimentazione dual supply Figura 12 a) Disegnare lo schematico e simulare il circuito in AC. Quant è il guadagno?

8 b) Simulare il circuito in transitorio usando come ingresso un generatore a gradino 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 Valore PER (periodo) 101ms PW (durata dell impulso) 100m TD (ritardo iniziale) 1m TF (tempo di discesa) 1u TR (tempo di salita) 1u 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?

9 Esercizio 5: Progettare un amplificatore per strumentazione (Figura 13) utilizzando l amplificatore operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137, utilizzate un alimentazione dual supply Figura 13 a) Tenendo conto della relazione ingresso-uscita: 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 R gain per verificare che effettivamente il guadagno sia quello desiderato.