Esercitazione 4 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 AMPLIFICATORI (A3).
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”.
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).
Nota:
Anche in questa esercitazione vengono utilizzati circuiti attivi, che richiedono alimentazione.
Rivedere le avvertenze nella esercitazione precedente.
2. Misure e simulazioni
2.1 - Amplificatore non invertente Predisposizione del modulo
Utilizzare il modulo A3-1, e configurarlo come indicato nella tabella interruttori
S3
R2 12k
R1 100k uA741
VI
-
J8 J7
J2
J3 J4
R3 4,7k
S7
VS VU
+
R5 2,2k
Tabella interruttori 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
Homework
Calcolare il guadagno dell’amplificatore
Stimare le resistenze equivalenti di ingresso e di uscita per i seguenti parametri relativi all’AO:
Rid>1MΩ Ro<100Ω Ad>200000
Misure
Misurare il guadagno Vu/Vi. ( Vs= 1Vp sinusoidale, f=2kHz , con oscilloscopio o multimetro ACV)
Confrontare con i risultati dell’homework.
2.2 - Amplificatore invertente Predisposizione del modulo
Utilizzare il modulo A3-2, e configurarlo come indicato nella tabella interruttori
R10 100k
Tabella interruttori J10
J13 J11 J9
J14
VU
R9 22k
-
R8 10k VI
uA741 +
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
Homework
Per segnale continuo calcolare il guadagno, la resistenza di ingresso e quella di uscita, immaginando la Ro intrinseca dell’amplificatore operazionale <=100Ω
Simulare i punti citati nelle misure a) b) c) d)
Misure
Applicare all'ingresso un segnale triangolare di 2 Vpp, periodo 3 ms;
a) Determinare il guadagno misurando il segnale in ingresso e in uscita;
b) Verificare che il morsetto invertente dell'amplificatore operazionale sia a potenziale continuo prossimo a zero (multimetro DCV o oscilloscopio)
c) Aumentare l'ampiezza del segnale di ingresso fino a ottenere evidente distorsione (tosatura o clipping) nel segnale di uscita (circa 5 Vpp).
d) Verificare il comportamento della tensione sul morsetto invertente (=tensione differenziale d’ingresso) quando l'uscita presenta distorsione.
2.3 - Amplificatore differenziale Predisposizione del modulo
Utilizzare il modulo A3-2, e configurarlo come indicato nello schema
J10 R9 22k
J9 R10 100k
J13
J14
J11
J12
S11 S10 S9 S8
R8 10k R7 10k
V2
VU
R6 10k -
V1
uA741 +
Gli interruttori permettono di ottenere come V2 una tensione corrispondente a frazioni della V1.
Tabella interruttori (1 = aperto 2 = chiuso) chiudere un solo interruttore per volta
S8 Selezione V2 = V1 S9 Selezione V2 = 2/3 V1 S10 Selezione V2 = 1/3 V1 S11 Selezione V2 = 0 S12 2 – chiuso S13 1 – aperto S14 1 – aperto
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.
a) b) c) d) Misurare il valore del guadagno AV = VU/V1 per le varie configurazioni (chiudere solo uno degli SW 8 .. 11 per volta) con oscilloscopio o multimetro ACV
2.4 - Amplificatore AC Predisposizione del modulo
Utilizzare il modulo A3-1, e configurarlo come indicato nello schema
R2 12k R1
100k LM358
VI
- + C5
100 nF
VU
C3 R4 10nF
10k VS
S4
C4 100 nF S2
S1 S6
J7
J3 J5
J6
J2
J8
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 1 – aperto = C3 (10nF) non inserito 2 – chiuso = C3 inserito
S2 1 – aperto = C4 (100 nF) inserito 2 – chiuso = C4 cortocircuitato S4 1 – aperto = C5 (10 nF) inserito
2 – chiuso = C5 cortocircuitato S6 1 – aperto
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, 1.000, 10.000,
100.000 Hz;
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).
c) Applicare un segnale ad onda quadra di ampiezza tale da mantenere il circuito in linearitá (ampiezza picco-picco in uscita pari a 15 V, corrispondente a circa metà dell’intervallo tra le tensioni di alimentazione); rilevare la forma d’onda in uscita (risposta al gradino); si consiglia di imporre la scala dei tempi dell’oscilloscopio in funzione della frequenza scelta in modo da osservare gli esponenziali di salita e di discesa in due schermate differenti
d) Applicare offset dal generatore e verificare che viene riportato amplificato in uscita
e) Inserire C3 (S1 chiuso) ::
e1) verificare la variazione della risposta all’onda quadra
e2) verificare il guadagno in continua (variando l’offset del generatore) e3) verificare che introduce un limite superiore di banda
f) Inserire C4 (S2 aperto):
f1) verificare l’influenza sulla risposta in frequenza f2) verificare la variazione della risposta all’onda quadra
g) Inserire C5 (S4 aperto):
g1) verificare la variazione della risposta all’onda quadra
g2) Verificare il guadagno in continua (variando l’offset del generatore)
h) Lasciando gli 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 (conviene effettuare due misure con diversa frequenza dell’onda quadra).
Vu
t
Schema completo della piastra di misura
Modulo A3 – 1.
VS S4 S1
S2
J8
J6 J3
J7
J5
J2 J4
VU C3
10nF S3
R3
4,7k
C5
100 F
C4 100nF
+ -
LM358
R1
100k
R2
12 k S5
R4
10k
S7
R5
2,2k S6
Modulo A3 – 2.
R10 100 k
+ LM358 VS
-
R9 22 k
VU
V2
J10
J11
J13 J12
R11
1 k S13
S14
R8 10 k R7 10 k
R12
100 Ω S12
S11 S10 S9 S8 R6 10 k
J9
J14
3. Modulo per la relazione
Esercitazione 4: Amplificatori operazionali con reazione Data:
Gruppo n°
Tavolo n°
Composizione del Gruppo
Nome firma
Strumenti utilizzati
Strumento Marca e modello caratteristiche
Generatore di segnali:
Oscilloscopio
Alimentatore
Circuito premontato
Descrizione sintetica degli obiettivi
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) Valori misurati per Vi
S7 chiuso S7 aperto Ru (da Rc e misure di Vu) Valori misurati per Vu
Confronto con i risultati dell’homework.
Calcolato Misurato
Guadagno G Guadagno G (dB) Valore di Ri Valore di Ru
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 (inserire disegno qualitativo).
Amplificatore differenziale
Homework:
Vu(Vi) per le varie configurazioni degli SW (chiusi solo uno per volta)
Misure
Guadagno AV = VU/V1 per le varie configurazioni (uno SW chiuso per volta)
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:
Variazione della risposta all’onda quadra
Guadagno in continua
Limite superiore di banda
Circuito con C4 inserito:
Limite superiore di banda
Variazione della risposta all’onda quadra
Circuito con C5 inserito:
Variazione della risposta all’onda quadra
Guadagno in continua
Risposta a un segnale a onda quadra
Costante di tempo associata al condensatore. C3
Costante di tempo associata al condensatore. C4