Basetta per misure su amplificatori

Sistemi Elettronici
Basetta per misure su amplificatori
•
•
•
•
Per le misure viene utilizzata una basetta a circuito stampato
premontata, che contiene due circuiti (amplificatore invertente e
noninvertente).
Una serie di interruttori permette di realizzare diverse
configurazioni circuitali.
Sono predisposti ancoraggi in corrispondenza dei vari punti di
misura (segnale e massa).
La descrizione dettagliata della basetta è nel Manuale
dell’esercitazione 3.
Connettore per
alimentazioni
Ancoraggi per
sonde di misura
(esempio)
Ingresso canale
noninvertente
Ingresso canale
invertente
Interruttori di
configurazione
(esempio)
Lezione A6, slide 26, 43, 59, 68
© 2005 Politecnico di Torino
Sistemi Elettronici
Misure su circuito invertente
•
Utilizzare il modulo A3-2,
e configurarlo come indicato
nella tabella interruttori
J9
R10 100k
R9 22k
J11
J10
VI
J14
J12
+
uA741
R8 10k
•
•
VU
J13
Tabella interruttori
S8
1 – aperto
S9
1 – aperto
S10
2 – chiuso
S11
1 – aperto
S12
1 – aperto
S13
1 R11 non inserita
S14
1 R12 non inserita
Applicare all'ingresso un segnale triangolare di 2 Vpp, periodo 3
ms; in queste condizioni:
•
Determinare il guadagno (modulo e segno) misurando il segnale in
ingresso e in uscita;
•
Verificare che il morsetto non invertente (+) dell'amplificatore
operazionale sia a potenziale prossimo a zero (multimetro o
oscilloscopio)
•
Verificare che la tensione continua e quella di segnale sul morsetto
invertente (-) dell'amplificatore operazionale siano prossime a zero
(conviene usare l’oscilloscopio).
Lezione A6, slide 59, 60
© 2005 Politecnico di Torino
Sistemi Elettronici
Misura della resistenza di uscita
•
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.
•
Nella basetta di prova l’interruttore S7 permette di inserire o
disinserire il carico R5.
R1
100k
R2
12k
Lezione A6, slide 38, 39
S7
J2
+
Ru
VU
R5
2,2k
J8
© 2005 Politecnico di Torino
Sistemi Elettronici
Misura della posizione di un polo
•
Per determinare la posizione dei poli che limitano la banda
passante conviene portarsi nella zona di guadagno massimo
(banda passante), impostare il livello di segnale a un valore tale
da ottenere sull’oscilloscopio 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 (rapporto 0,707).
(dB)
-3
ωP
0,1
1
10
100
(rad/s)
ω
0
-10
-20
-40
•
Avvertenze
•
•
•
Verificare che il circuito operi in linearità, e non intervengano
saturazione o distorsione da slew rate. Per garantire questa
condizione conviene operare con livello di segnale molto basso, e
verificare che variando l’ampiezza di ingresso l’ampiezza di uscita
vari in modo corrispondente.
Per osservare l’ampiezza picco-picco di un segnale sull’oscilloscopio
può essere comodo non sincronizzare la base tempi sul segnale
stesso. Sullo schermo compare una fascia continua, la cui ampiezza
corrisponde al picco-picco del segnale. Deve comunque essere
verificata (a segnale sincronizzato) l’assenza di distorsioni.
Per una misura più precisa di frequenza e ampiezza usare
frequenzimetro e multimetro, mantenendo sempre collegato
l’oscilloscopio per una verifica qualitativa.
Lezione A6, slide 51
© 2005 Politecnico di Torino
Sistemi Elettronici
Misura della resistenza di ingresso
•
Per misurare la resistenza di ingresso
R
si inserisce una resistenza in serie
1
al generatore (per eseguire una
V2
V1
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).
Ri
•
La resistenza forma un partitore con la resistenza di ingresso Ri
del modulo; del partitore una resistenza è nota (quella inserita
volutamente, in questo caso R3), 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 Ri.
S3
J3
J4
+
R3 4,7k
VS
VI
Ri
J7
•
R1
100k
R2
12k
VU
Nella basetta di prova l’interruttore S3 permette di inserire o
escludere la resistenza serie R3; è così possibile eseguire le due
misure sempre sul morsetto J4.
Lezione A6, slide 34, 35
© 2005 Politecnico di Torino
Sistemi Elettronici
Misura della risposta al gradino
•
Applicare un segnale ad onda quadra di ampiezza tale da
mantenere il circuito in linearità. 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.
•
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.
•
Inserire C3 (chiudere S1; mantenere S4 chiuso e S2 chiuso) :
•
•
•
Inserire C4 (aprire S2; mantenere S4 chiuso e S1 aperto):
•
•
•
verificare la variazione della risposta all’onda quadra
Con segnale sinusoidale, verificare l’influenza di C4 sulla risposta in
frequenza
Inserire C5 (aprire S4; mantenere S2 chiuso e S1 aperto):
•
•
verificare la variazione della risposta all’onda quadra
Con segnale sinusoidale, verificare che C3 introduce un limite
superiore di banda
verificare la variazione della risposta all’onda quadra
Per misurare la costante di tempo t si possono sfruttare due
caratteristiche dell’esponenziale:
•
•
La tangente nell’origine interseca l’asintoto per t = t (questa
tecnica permette solo una valutazione di massima, con forte errore)
L’esponenziale ha una variazione pari al 63% dell’escursione totale
quando t = t (caratteristica che permette una misura più precisa).
Lezione A6, slide 53, 54
© 2005 Politecnico di Torino
Sistemi Elettronici
Misura della risposta in frequenza
•
•
Utilizzare il
J3
modulo A3-1
Gli interruttori
permettono di
configurare il
circuito come
amplificatore DC o
come amplificatore
AC con variazioni di
guadagno e di banda.
•
Tabella interruttori
•
Questa esperienza:
•
•
•
•
S4 aperto
S2 chiuso
S1 chiuso
S4
LM358
J5
+
C5
100 nF
VS
J2
S1
R1
100k
VI
J7
S6
R4
10k
J6
S2
C3
10nF
R2
12k
VU
J8
C4
100 nF
S1
1 – aperto = C3 (10nF) non inserito
2 – chiuso = C3 inserito
S2
1 – aperto = C4 (100 nF) inserito
2 – chiuso = C4 cortocircuitato
S3
2 – chiuso
S4
1 – aperto = C5 (10 nF) inserito
2 – chiuso = C5 cortocircuitato
S5
2 – chiuso
S6
1 – aperto
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).
Lezione A6, slide 43, 44, 55, 56
© 2005 Politecnico di Torino
Sistemi Elettronici
Domande di riepilogo
•
Quanti cavetti occorrono per collegare l’alimentazione di un
circuito che richiede tensioni di +12V, -10V e +5V ?
20
•
Come si misura il guadagno di un amplificatore ?
31
•
Come si può misurare una resistenza di ingresso ?
35
•
Come si può misurare una resistenza di uscita ?
39
•
Come si può misurare la banda passante di un amplificatore ?
51
•
Quale tensione è presente sul morsetto di ingresso invertente di
un amplificatore operazionale utilizzato come amplificatore di
tensione invertente (un solo ingresso)?
E nel caso di una configurazione non invertente ?
62
•
In quali condizioni la tensione presente sull’ingresso invertente
di un amplificatore operazionale è nulla ?
70
•
Un amplificatore noninvertente ha guadagno 100 ed è
alimentato a ± 12 V. Quale è la forma d’onda in uscita per
ingresso triangolare di 50 mV di picco ? E per 200 mV di picco ?
71
•
Quale è l’effetto della distorsione da slew rate su un segnale a
onda quadra ?
78
Lezione A6, slide 83
© 2005 Politecnico di Torino
Sistemi Elettronici
Dinamica di uscita
•
Il data sheet (TIL81) indica la dinamica di uscita in funzione del
carico
•
E in funzione delle tensioni di alimentazione
Lezione A6, slide 76, 77
© 2005 Politecnico di Torino
Sistemi Elettronici
Circuito per amplificatore noninvertente
•
Utilizzare il modulo A3-1, e configurarlo come indicato nella
tabella interruttori.
S3
J3
J4
R3
4,7k
VS
R1
100k
VI
J7
•
S7
J2
+
R2
12k
VU
R5
2,2k
J8
Tabella interruttori
(1 = aperto 2 = chiuso; gli interruttori non utilizzati in questa
misura sono indicati in posizione fissa)
S1
1 – aperto
S2
2 – chiuso
S3
1 R3=4.7k inserita
2 R3 cortocircuitata
S4
2 – chiuso
S5
1 – aperto
S6
1 – aperto
S7
1 R5 non inserita
2 R5=2.2k inserita
Lezione A6, slide 26, 27
© 2005 Politecnico di Torino
Sistemi Elettronici
Saturazione statica e dinamica
•
Utilizzare il modulo A3-2,
come per le misure su
circuito invertente
R10 100k
J9
R9 22k
J11
J10
VI
J14
J12
+
uA741
R8 10k
VU
J13
•
Applicare all'ingresso un segnale triangolare di 2 Vpp, periodo
3ms.
•
Aumentare l'ampiezza del segnale di ingresso fino a ottenere
evidente distorsione (tosatura o clipping) nel segnale di uscita
(circa 5 Vpp).
•
Verificare il comportamento della tensione sul morsetto invertente
(tensione differenziale d’ingresso) quando l'uscita presenta
distorsione.
•
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).
•
Verificare l’effetto del carico sulla dinamica di uscita.
Lezione A6, slide 68
© 2005 Politecnico di Torino