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reazione Anche questa relazione è in parte già predisposta, ma rispetto alla precedente è più ampia la parte a compilazione libera.

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Academic year: 2022

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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)

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)

(3)

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.

(4)

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

(5)

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

(6)

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

(7)

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

(8)

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

(9)

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

(10)

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).

(11)

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)

(12)

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

(13)

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

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