Caratterizzazione Elettrica di un Amplificatore Operazionale μa741C Corso di Misure e Strumentazioni Elettroniche Ciacchini Giovanni e Ceran Marco, Relazione 1. Scopo dell’Esperienza Lo scopo dell’esperienza è quello di dare una caratterizzazione elettrica di un amplificatore operazionale μa741. Ossia misurarne rispettivamente: ο· Parametri statici: tensione di offset (ππΌπ ), corrente di offset (πΌπΌπ ), corrente di polarizzazione (πΌπ΅ ), guadagno differenziale ad anello aperto (π΄πππΏ ), rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) ο· Parametri dinamici: prodotto guadagno banda (PGB), slew rate (SR) 2. Strumentazione Componenti elettronici utilizzati circuito A: ο· ο· ο· ο· ο· ο· 2 amplificatori operazionali μa741 2 resistori da 100 kΩ nominali 3 resistori da 10 kΩ nominali 1 resistore da 10 Ω nominali ponticelli 1 breadboard Componenti elettronici utilizzati circuito B: ο· ο· ο· ο· 1 amplificatore operazionali μa741 2 resistori da 100 kΩ nominali ponticelli 1 breadboard Strumenti di stimolo/misura utilizzati: ο· ο· ο· ο· Multimetro digitale a 6½ digits (HP 34401A) Generatore di tensione stabilizzato (HP E3631A) Oscilloscpio (HP 54600B) Cavi e Coccodrilli 1 3. Schemi Circuitali Immagine a: circuito (A) Immagine b: circuito (B) 0 0 2 Vs 2 Vio SW- 2 R11 uA741 - 4 OS2 OUT OS1 V- R01 6 1 3 R02 Vu' Vset + 2 5 OS2 uA741 OUT 2 I- U1 7 + DUT - 4 SW+ 6 0 I+ 7 3 1 OS1 V- 2 Vu 0 + DUT V+ OS2 uA741 OUT - Vio I- 0 R02 1 1 5 V+ 3 1 R Vs 7 I+ V+ R12 SW+ 0 4 OS1 V- R01 R2 2 SW- 5 6 1 Vu 0 1 0 4. Procedimenti di Misura e Valori dei Parametri Per le misurazioni si sono utilizzati due schemi circuitali differenti. Rispettivamente, il circuito (A) è stato utilizzato esclusivamente per misurare i parametri statici dell’amplificatore operazionale, mentre il circuito (B) è stato utilizzato per la misura di alcuni parametri statici (ππΌπ , πΌ + , πΌ − ) e per la misura dei parametri dinamici. Durante la misura di tutti i parametri, sia statici che dinamici, gli amplificatori operazionali sono stati alimentati rispettivamente a +πππ = 15π, π − πππ = −15π Per misurare le resistenze reali dei vari resistori, si procede impostando il multimetro digitale in modalità ohmetro, ai capi del resistore preso in esame. Per ciascun resistore sono state effettuate tre misure della resistenza, in modo da avere un campione statistico significativo per valutare gli errori compiuti sulla misurazione, quantificati nello scarto quadratico medio. Circuito (A) ο· π½π°πΆ Per misurare la tensione di offset, abbiamo chiuso gli interruttori ππ + ed ππ − in figura. Per simulare il comportamento da interruttore chiuso, nel corso di tutta l’esperienza abbiamo utilizzato dei ponticelli (assimilabili a dei cortocircuiti). Abbiamo poi imposto ππ = 0π e πππΈπ = 0π, in modo da forzare la tensione di uscita del primo operazionale (DUT) a zero: ππ’′ = 0π. In questo modo, la determinazione della tensione di offset si riconduce alla misura della tensione di uscita del secondo amplificatore operazionale ππ’ (effettuata impostando il multimetro digitale in modalità voltmetro e collegando lo strumento tramite coccodrilli, tra il terminale di uscita del circuito e massa). Infatti dalla seguente relazione è possibile calcolare il valore di ππΌπ , a partire dalla misura dei valori di tensione di uscita e delle resistenze: 2 ππ’ = ππΌπ β (1 + ο· π 2 ) π βΉ ππΌπ = ππ’ = 1,456 mV π (1 + π 2 ) π°πΆ π π°π© Per misurare la corrente di offset, abbiamo innanzitutto misurato le correnti πΌ + e πΌ − . Per misurare πΌ + abbiamo chiuso l’interruttore ππ − e lasciato aperto l'altro (ππ + ), mantenendo, ππ = 0π e πππΈπ = 0π. Il valore di πΌ + può a questo punto essere ricavato dalla seguente relazione, a partire dalla misura dei valori di tensione di uscita e delle resistenze: ππ’ π − ππΌπ ] 1 + π 2 πΌ+ = − π 1 [ ππ’ = (ππΌπ − π 1 πΌ + ) β [1 + π 2 ] π βΉ Per quanto riguarda la misura di πΌ − ,analogamente, mantenuto ππ = 0π e πππΈπ = 0π, chiudendo l’interruttore ππ + , lasciando aperto l’altro (ππ − ). Il valore di πΌ − a questo punto può essere ricavato dalla seguente relazione, a partire dalla misura dei valori di tensione di uscita e delle resistenze: ππ’ π − ππΌπ ] 1 + π 2 πΌ− = − π 1 [ ππ’ = (ππΌπ + π 1 πΌ − ) β [1 + π 2 ] π βΉ La corrente di offset sarà la differenza tra le due correnti in valore assoluto, mentre la corrente di polarizzazione sarà la semi-somma delle due correnti πΌ + e πΌ − . Rispettivamente avremo: πΌπΌπ = |πΌ + − πΌ − | = 286,2 nA πΌπ΅ = ο· πΌ+ + πΌ− = 2,300 nA 2 π¨π½πΆπ³ Per la misura di tale parametro, era necessario evitare cadute di tensione su π 1 ed π 2 , per cui abbiamo chiuso entrambi gli interruttori. Abbiamo poi imposto, tramite il generatore di tensione πππΈπ = −3π, ππ = 0π. La determinazione di π΄πππΏ , è stata quindi ricondotta alla misura di ππ’ e ππ’′ tramite le relazioni riportate sotto. 3 ππ β |π + − π − | π+ + π− ππ β 2 π΄π πΆππ π β | | { π΄π A partire dalle precedenti definizioni, è possibile riscrive la tensione di uscita del DUT nella seguente forma: ππ’′ = [ππ + 1 π΄π β π ] = ππ π΄π + π β ππ π΄π πΆππ π π πΆππ π π Dove l’ultima approssimazione vale nel caso in cui il CMRR, sia caratterizzato da un valore sufficientemente grande (si deve avere un CMRR almeno pari ad 80 dB, condizione che verificheremo una volta effettuata la misura. π + = 0π {π − = −ππΌπ + ππ’ π (1 + 2 ) π 1 Sostituendo, nella relazione appena ricavata la definizione di ππ , ed osservando che valgono le relazioni sopra, si ottiene l’espressione tramite cui poter calcolare il parametro di guadagno ad anello aperto: ππ’′ = π΄πππΏ β (π + − π − ) = π΄πππΏ β [ ο· −ππ’ + ππΌπ ] π 2 1+π 1 βΉ ππ’′ π΄πππΏ = [ = 267,5 V/mV −ππ’ π + ππΌπ ] 1 + π 2 1 CMRR Per la misura del rapporto di reiezione di modo comune, abbiamo chiuso entrambi gli interruttori, ponendo πππΈπ = 0π e ππ = ππππ = ±6π. Per il parametro CMRR vale: πΆππ π β | π΄π ππ |=| | π΄π ππ Data la configurazione circuitale corrispondente alla descrizione fatta, possiamo scrivere le equazioni: 4 π + = ππππ π − = ππππ β π 2 π + ππ’ β − ππΌπ π + π 2 π + π 2 Sostituendo tali relazioni nell’espressione sopra, otteniamo le seguenti catene di uguaglianze: ππππ ππππ − ππ’ ππ’ ππ = π + − π − = ππππ − { + − ππΌπ } = { } + ππΌπ π π π 1+π 1 + π 2 1 + π 2 2 ππ = 1 ππππ π+ + π− 1 ππ’ = β {ππππ + + − ππΌπ } β ππππ π π 2 2 1+ 1+ 2 π 2 π Sostituendo infine tali equazioni nella relazione iniziale si ottiene il parametro CMRR, espresso in funzione di valori noti e di valori misurabili (ππ’2 π ππ’1 ). π 2 ) π πΆππ π = | | = 82,5 dB π₯ππππ − (ππ’2 − ππ’1 ) π₯ππππ (1 + Il CMRR è fornito dal costruttore in dB, il valore ottenuto dal calcolo sopra, sarà quindi espresso in dB, secondo la definizione Aπππππ = 20 β log(πΆMRR) Circuito (B) ο· π½π°πΆ Utilizzando questo circuito, chiudendo entrambi gli interruttori e ponendo ππ = 0π, la misura della tensione di offset risulta particolarmente agevole, in quanto essa coincide, in questo modo, proprio con la tensione di uscita: ππΌπ = ππ’ = 2,900 mV ο· π°π°πΆ e π°π°π© Per misurare la corrente di offset, per prima cosa, come nel caso del circuito (A), è stato necessario calcolare il valore delle correnti πΌ + e πΌ − . In entrambe le misurazioni abbiamo posto ππ = 0π. Per la misura di πΌ + , abbiamo aperto ππ + , ed abbiamo chiuso ππ − . Misurando la tensione di uscita, la corrente πΌ + , sarà data dalla seguente relazione: 5 ππ’ = ππΌπ − π 1 πΌ + βΉ πΌ+ = −ππ’ + ππΌπ π 1 Viceversa, per la misura di πΌ − , abbiamo chiuso l’interruttore ππ + , e aperto ππ − . Misurando la tensione di uscita, la corrente πΌ − , sarà data dalla seguente relazione: ππ’ = ππΌπ + π 1 πΌ − βΉ πΌ− = ππ’ − ππΌπ π 1 Analogamente a quanto visto in precedenza, la corrente di offset e la corrente di polarizzazione, saranno date rispettivamente dalle seguenti espressioni: πΌπΌπ = |πΌ + − πΌ − | = 180,1 nA πΌπΌπ΅ ο· πΌ+ + πΌ− = = −21,43 nA 2 PGB Per la misura di tale parametro, abbiamo innanzitutto chiuso entrambi gli interruttori. In seguito tramite il generatore di onde, si è mandata in ingresso al circuito una tensione sinusoidale, ππ = sin(2πππ‘), con frequenza iniziale π = 800 ππ»π§.Utilizzando l’oscilloscopio, si è poi sovrapposta tale tensione d’ingresso con quella sull’uscita, ππ’ , facendo variare la frequenza della ππ , finchè, l’ampiezza dell’uscita non risultasse pari all’ampiezza dell’ingresso ridotta di un fattore √2 .Il valore di frequenza corrispondente a tale condizione è proprio il PGB. ππΊπ΅ = 981 kH ο· SR Per misurare lo slew-rate, analogamente a quanto fatto per il PGB, si sono chiusi entrambi gli interruttori ed abbiamo mandato in ingresso al circuito, come tensione ππ , un’onda quadra con duty cycle δ = 50%, ππ ,πππ₯ = 2,5π, ππ ,πππ = 0π e π = 1ππ»π§ (valore di frequenza per il quale il fenomeno dello slew- rate si visualizza particolarmente bene). Sovrapponendo, sull’oscilloscopio, tensione di ingresso e tensione di uscita abbiamo misurato la pendenza del fronte della tensione di uscita. Tramite i cursori dell’oscilloscopio, opportunamente posizionati, è stato possibile misurare π₯π e π₯π‘, e dunque, direttamente dalla definizione, lo slew-rate ππ = π₯π = 0.614 V/µs π₯π‘ 6 4. Discussione dei Risultati La tabella sotto riporta i valori tipici dei parametri, confrontandoli coi valori ottenuti attraverso le misure. Si nota che il parametro π΄πππΏ , si discosta dal valore atteso. Questo accade perché nell’espressione di π΄πππΏ , al denominatore compaiono valori molto piccoli, è quindi sufficiente un piccolo errore sulle misure di ππΌπ e ππ’ , per generare un errore significativo sul valore di π΄πππΏ . Parametro ππΌπ (ππ) πΌπΌπ΅ (ππ΄) πΌπΌπ (ππ΄) π΄πππΏ (π/ππ) CMRR (dB) PGB (MHz) SR (V/µs) Min 20 60 Tipico 1 80 20 200 90 Max 6 500 200 - Misra (A) 1,456 2,3 286,2 267,5 82,5 Misura (B) 2,900 -21,43 180,1 - - 1 0,5 - - 0,9810 0,614 5. Tabelle dei Valori Misurati Nella tabella sotto sono riportati i valori delle resistenze impiegate in entrambi i circuiti, infatti per il circuito (B), si sono sfruttati due resistori del circuito (A) di valore 100 kβ¦. [kβ¦] π 01 π 02 π 11 π 12 π 2 R R(nominale) I II III π Μ σ(R) 100 100 10 10 10 10−2 98,91 98,10 9,814 9,893 9,768 9,863x10−3 98,83 98,22 9,803 9,890 9,755 9,845x10−3 99,10 97,94 9,815 9,803 9,749 9,851x10−3 98,5 98,09 9,811 9,862 9,757 9,853x10−3 0,138 0,140 0,006 0,051 0,009 0,009 Valori misurati circuito (A) π½π°πΆ ππ’ 1 ππ’ 2 ππ’ 3 σ(ππ’ ) πΜ π’ πΜ π’ ± σ(ππ’ ) 1,456 mV 1420 mV 1485 mV 1467 mV 33,561 mV 1457 mV 1457 ± 33,561 mV CMRR 82,5 dB ππ’ 1(ππ = 6π) ππ’ 2(ππ = 6π) ππ’ 3(ππ = 6π) 5501 mV 5552 mV 5579 mV σ(ππ’ ) πΜ π’ πΜ π’ ± σ(ππ’ ) ππ’ 1(ππ = −6π) ππ’ 2(ππ = −6π) ππ’ 3(ππ = −6π) σ(ππ’ ) πΜ π’ πΜ π’ ± σ(ππ’ ) 39,611 mV 5544 mV 5544 ± 39,611 mV -5690 mV -5630 mV -5675 mV 31,225 mV -5665 mV -5665 ± 31,225 mV π°+ ππ’ 1 ππ’ 2 ππ’ 3 σ(ππ’ ) πΜ π’ πΜ π’ ± σ(ππ’ ) 145,4 nA 38,03 mV 32,80 mV 37,26 mV 2,822 mV 36,26 mV 36,26 ± 2,822 mV π¨π½πΆπ³ ππ’ 1 ππ’ 2 ππ’ 3 σ(ππ’ ) πΜ π’ πΜ π’ ± σ(ππ’ ) 267,5 V/mV 1441 mV 1428 mV 1442 mV mV 1437 mV 1437 ± mV ππ’′ 1 ππ’′ 2 ππ’′ 3 σ (ππ’′) Μ Μ Μ ππ’′ 2950 mV 2978 mV 2897 mV 41,14 mV 2942 mV 2942 ± 41,14 mV Μ Μ Μ ππ’′ ± σ(ππ’′) 7 π°− ππ’ 1 ππ’ 2 ππ’ 3 σ(ππ’ ) πΜ π’ πΜ π’ ± σ(ππ’ ) -140,8 nA 87,90 mV 86,82 mV 88,41 mV 0,8090 mV 87,71 mV 87,71 ± 0,8090 mV Valori misurati circuito (B) π½π°πΆ ππ’ 1 ππ’ 2 ππ’ 3 σ(ππ’ ) πΜ π’ πΜ π’ ± σ(ππ’ ) 2,900 mV 2,900 mV 2,880 mV 2,922 mV 0,021 mV 2,900 mV 2,900 ± 0,021 mV π°+ ππ’ 1 ππ’ 2 ππ’ 3 σ(ππ’ ) πΜ π’ πΜ π’ ± σ(ππ’ ) 68,54 nA -3,583 mV -3,681 mV -3,517 mV 0,083 mV -3,594 mV -3,594 ± 0,083 mV π°− ππ’ 1 ππ’ 2 ππ’ 3 σ(ππ’ ) πΜ π’ πΜ π’ ± σ(ππ’ ) -111,6 nA -8,252 mV -8,199 mV -8,260 mV 0,033 mV -8,237 mV -8,237 ± 0,033 mV 8 9