Esercitazione 3 Amplificatori operazionali con reazione 1. Introduzione
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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). SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 1 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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 SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 2 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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. SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 3 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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). SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 4 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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. SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 5 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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”. SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 6 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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). SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 7 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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. SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 8 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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 SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 9 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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 SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 10 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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 SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 11 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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). SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 12 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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 SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM dB Page 13 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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 SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 14 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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 SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 15 of 16 Modulo SISTEMI ELETTRONICI ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - 3 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 SElab08R3n.doc - © DDC, GG, FM - rev 10/03/2009 5:35 PM Page 16 of 16
