Esercitazione 3 : AMPLIFICATORE LOGARITMICO Specifiche Progettare un amplificatore con funzione di trasferimento logaritmica tra i punti dati : VI VU 10 mV 10 V 0V 8V Come elemento logaritmico utilizzate la coppia di transistori connessi a differenziale dell’integrato CA3046. Progetto Per ottenere la funzione di trasferimento richiesta è possibile usare il circuito base seguito da un amplificatore invertente, oppure modificare il circuito base in modo da renderlo invertente. La seconda soluzione è accettabile, a condizione di valutare gli errori introdotti dalla modifica. Per minimizzare gli errori dovuti alle variazioni della temperatura, posizionare il punto a metà dinamica in corrispondenza della corrente di riferimento della giunzione di compensazione. Posizionare la dinamica in corrente tenendo conto delle correnti di ingresso del primo operazionale e della resistenza intrinseca della giunzione logaritmica. Per ottenere la funzione di trasferimento indicata dalle specifiche, traslare la funzione di trasferimento sommando una tensione opportuna all’ingresso del secondo operazionale. Posizionare la dinamica in tensione in base alle specifiche scegliendo opportunamente il guadagno dell’operazionale di uscita. Per le giunzioni logaritmiche si usano transistori duali o multipli, tutti collocati sullo stesso chip per avere garanzia che siano alla stessa temperatura. Ove possibile, usare una coppia di transistori già connessi in configurazione differenziale. Misure Per una verifica di massima del funzionamento, applicare all'ingresso un segnale triangolare tra 0 e 10 V circa, e controllare che la forma d'onda in uscita abbia andamento approssimativamente logaritmico. Verificare che non siano presenti autooscillazioni. Un esempio dei segnali osservabili è in figura 3a. Questa è solo una verifica qualitativa del funzionamento; per le misure vere e proprie seguire la procedura indicata nel seguito. ETLlb03b - 3 ago. 00 1 Fig 3a: Canale 1 (superiore): segnale di ingresso triangolare. Canale 2 (inferiore): segnale prelevato dopo la giunzione di riferimento (BC di Q2). La zona A corrisponde al limite inferiore della dinamica (alcuni mV di ingresso), la zona B al limite superiore (alcuni V di ingresso) Effettuare una rilevazione per punti della Vu in funzione della Vi, spaziando i valori di ingresso uniformemente su scala logaritmica (mantenere un rapporto costante tra valori successivi, ad esempio 1, 3, 10, ... oppure 1, 2, 5, 10 ...). La tensione di ingresso può essere ricavata dall'alimentazione, con un partitore formato da due potenziometri, collegati in modo da avere una regolazione grossolana e una regolazione fine. Riportare il risultato su un diagramma semilogaritmico, e verificare che i risultati delle misure rientrino nella fascia calcolata in base alle tolleranze dei componenti. Dopo aver effettuato le misure punto per punto, la caratteristica complessiva può essere visualizzata come un segmento rettilineo sull'oscilloscopio, applicando all'ingresso un segnale con andamento esponenziale nel tempo, con valori iniziale e finale corrispondenti alla dinamica prevista dal progetto. Eseguendo il logaritmo dell'esponenziale si riottiene l'argomento dell'esponenziale (in questo caso il tempo). La tensione di uscita ha quindi andamento lineare nel tempo (visualizzato sull'oscilloscopio come traccia rettilinea inclinata). Il segnale esponenziale può essere ricavato da un’onda quadra con una rete RC passa alto (il periodo dell'onda quadra e la costante di tempo devono essere dimensionate in modo da consentire una comoda visualizzazione). A pari costante di tempo, aumentando il periodo dell'onda quadra l'esponenziale scende a livelli più bassi, permettendo di evidenziare le deviazioni dal comportamento logaritmico verso l'estremo inferiore della dinamica. Inserire un circuito di recupero dell'offset per il primo operazionale, e usarlo per ridurre gli errori all'estremo inferiore della dinamica (valutare questi errori con la configurazione indicata in precedenza; l'errore è minimo quando la risposta all'esponenziale è lineare). Un esempio di segnali di ingresso e uscita in questa configurazione è in figura 3b. ETLlb03b - 3 ago. 00 2 Fig. 3b Canale 1 (superiore): segnale di ingresso esponenziale decrescente. Canale 2 (inferiore): segnale di uscita (andamento lineare nel tempo). La zona entro il cerchio a destra corrisponde all’estremo inferiore della dinamica, in cui sono più evidenti gli effetti del rumore di ingresso. Verificare che usando come giunzioni logaritmiche diodi anziché transistori cambia la pendenza della caratteristica (cambia il coefficiente η della giunzione utilizzata). Esperienza dimostrativa Controllare la deriva termica scaldando (ad esempio con un saldatore) l’elemento logaritmico (array di transistori o transitore duale); verificare che impiegando diodi o transistori separati e scaldando uno solo dei due la deriva termica è molto più forte. Con elementi logaritmici monolitici, gli effetti termici sono osservabili anche utilizzando come elemento riscaldante uno degli altri transistori dell'array. Deve essere polarizzato con corrente e tensione note, e da potenza dissipata e ristenza termica è possibile valutare la temperatura raggiunta dal chip (attenzione a restare entro la potenza massima dissipabile indicata sul data-sheet dell'array). Verificare che la variazione di temperatura del chip provoca una variazione di pendenza della caratteristica. Questo effetto si può notare osservano con scale espanse i due estremi della caratteristica rettilinea tracciata con il circuito sopra indicato, e verificando che al variare della temperatura si spostano in direzioni opposte. Il punto intermedio della caratteristica (centro di rotazione) rimane fermo. ETLlb03b - 3 ago. 00 3