Modulo SISTEMI ELETTRONICI
ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3
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).
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2. Misure e simulazioni
2.1 - 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
J4
+
uA741
S7
J2
R3 4,7k
R1
100k
VI
VS
J7
R2
12k
VU
R5
2,2k
J8
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 = 200000
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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 all’ingresso e all’uscita del partitore è possibile determinare il valore della
resistenza incognita (resistenza equivalente di ingresso dell’amplificatore).
Per evitare di influenzare il circuito sotto misura, usare la tecnica indicata nell’esercitazione 2
(misure in uscita – senza questo accorgimento in pratica si misura la resistenza di ingresso
dell’oscilloscopio o del multimetro).
S3 permette di inserire o meno la resistenza R3 (con S3 chiuso si applica all’amplificatore
direttamente Vs, con S3 aperto la Vi). Misurare la tensione di uscita nelle due condizioni, e
ricavare la resistnza equivalente di ingresso dal rapporto di queste due misure. Non è necessario
calcolare o misurare il guadagno dell’amplificatore.
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.
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2.2 - Amplificatore invertente
Predisposizione del modulo
Utilizzare il modulo A3-2, e configurarlo come indicato nella tabella interruttori
R10 100k
J9
R9 22k
J11
J10
VI
+
J12
J14
uA741
R8 10k
VU
J13
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).
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2.3 - Amplificatore differenziale
Predisposizione del modulo
Utilizzare il modulo A3-2, e configurarlo come indicato nello schema
J10
J9
VI
R6 10k
R7 10k
R8 10k
S8
R10 100k
R9 22k
J11
S9
V2
S10
+
J12
uA741
VU
J13
S11
J14
Gli interruttori permettono di ottenere come V2 una tensione corrispondente a frazioni della V1
attraverso il partitore formato da R6…R8. Occorre chiudere un solo interruttore per volta nel
gruppo S8..S11, lasciando aperti gli altri. La presenza di Vi e V2 permette di verificare il
funzionamento dell'amplificatore differenziale partendo da un singolo segnale.
Tabella interruttori (1 = aperto 2 = chiuso)
S8
S9
S10
S11
S12
S13
S14
Selezione V2 = V1
Selezione V2 = 2/3 V1
Selezione V2 = 1/3 V1
Selezione V2 = 0
2 – chiuso
1 R11 non inserita
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 Veff, frequenza 200 Hz.
Misurare il valore del guadagno AV = VU/VI per le varie configurazioni (chiudere solo uno degli
SW 8 .. 11 per volta). Per le misure di tensione usare l'oscilloscopio o il multimetro ACV
Confrontare i risultati delle misure con quanto calcolato nell’homework.
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2.4 - Amplificatore AC
Predisposizione del modulo
Utilizzare il modulo A3-1, e configurarlo come indicato nello schema
S4
J3
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
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”.
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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 (1);
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.
Applicare offset dal generatore e verificare che viene riportato amplificato in uscita.
d) Portare l’ingresso a un livello abbastanza basso 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.(2)
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 occorre 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 di C4 sulla risposta in frequenza;
f2) verificare la variazione della risposta all’onda quadra dovuta a C4.
g) Inserire C5 (aprire S4; mantenere S2 chiuso e S1 aperto):
g1) verificare la variazione della risposta all’onda quadra dovuta a C5;
g2) Verificare il guadagno in continua (variando l’offset del generatore).
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h) Togliendo C5 (S4 chiuso) e lasciando gli altri 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
Nei due esempi a lato il segnale e la
rete sono gli stessi; cambia solo la
scala dell’asse tempi
Vu
t
misura del comportamento passa
basso: scala dei tempi espansa
Misura del comportamento passa alto:
scala dei tempi compressa
Vu
t
Note:
1)
Nelle misure a frequenza elevata può intervenire, oltre al limite di banda dell’A.O., anche il limite
da slew rate. Questo avviene specialmente se il circuito monta lo LM741. In questo caso la
forma d’onda in uscita è distorta, e da sinusoidale diventa triangolare. Per effettuare misure della
banda passante verificare la forma d’onda in uscita; se triangolare abbassare il livello di ingresso
fino a riportarla a sinusoidale.
Montando il TL081 questo comportamento si manifesta solo a frequenza più elevata.
2)
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.
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Schema completo della piastra di misura
Modulo A3 – 1.
J3
J4
C5
100 nF
S3
J5
J2
+
R3
4,7k
VS
S4
LM358
S7
-
R4
10k
C3
10nF
R1
100k
J7
S1 S6
SW1
R5
2,2k
V
J8
S5
R2
12 k
J6
S2
C4 100nF
Modulo A3 – 2.
J10
J9
R10 100 k
R9 22 k
VS
J12
S12
J14
-
S8
R6 10 k
R7 10 k
R8 10 k
S9
S10
J11
S13
S14
+
LM358
V2
VU
R11
1k
R12
100 Ω
J13
S11
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3. Modulo per la relazione
Esercitazione 3: Amplificatori operazionali con reazione
Data:
Gruppo n°
Tavolo n°
Composizione del Gruppo
ruolo
Esecuzione misure
nome
firma
Stesura relazione
Strumenti utilizzati
Strumento
Generatore di segnali:
Marca e modello
caratteristiche
Oscilloscopio
Alimentatore
Circuito premontato
Descrizione sintetica degli obiettivi
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Amplificatore non invertente
Homework
Guadagno dell’amplificatore:
Resistenze equivalenti di ingresso e di uscita (valori stimati)
Misure
Guadagno Vu/Vi.
Resistenze equivalenti
S3 chiuso
S3 aperto
Ri (da Rs e misure di Vi)
S7 chiuso
S7 aperto
Ru (da Rc e misure di Vu)
Valori misurati per Vi
Valori misurati per Vu
(eventuale commento sui risultati delle misure)
Confronto con i risultati dell’homework.
Calcolato
Misurato
Guadagno G
Guadagno G (dB)
Valore di Ri
Valore di Ru
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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
(tracciato qualitativo di Vd e Vu).
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Amplificatore differenziale
Homework:
Vu(Vi) per le varie configurazioni degli SW (uno SW chiuso per volta)
Misure
Guadagno AV = VU/VI misurato per le varie configurazioni, e confronto con i valori calcolati
configurazione
Guadagno calcolato
Guadagno misurato
rapporto
rapporto
dB
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dB
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Amplificatore AC
Misure
Circuito configurato come amplificatore DC,
Guadagno per segnali sinusoidali con frequenze di: 100, 1.000, 10.000, 100.000 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:
Guadagno in continua
Risposta all’onda quadra
Limite superiore di banda
Circuito con C4 inserito:
Limite inferiore di banda
Risposta all’onda quadra
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Circuito con C5 inserito:
Guadagno in continua
Risposta a un segnale a onda quadra
Costante di tempo associata al condensatore. C3
Costante di tempo associata al condensatore. C4
Costante di tempo associata al condensatore. C5
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Storia del documento
Rev 1
Rev 2
Rev 3
Rev
Rev
Rev
010727 DDC
011002 DDC
011209 DDC
020828 GG
varianti per Sistemi Elettronici
confronto con 3
modificati nomi R e SW per coerenza con piastre
dopo verifica in laboratorio FM-GG e adeguamento a
varianti di programma decisi il 19/07/02
Rev
Rev
Rev
Rev
Rev
Rev
Rev
021120 LM
031210 DDC
031215 DDC
041120 DDC
051206 DDC
080304 DDC
090309 DDC
dopo rilettura generale e verifiche in laboratorio LM-GG-DDC
piccole correzioni
spiegazione alimentatori
tolto alimentatori (messi nella 2), piccole modifiche
note al punto 2.4
revisione generale
piccoli aggiustamenti
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