Nell'esercitazione di oggi realizzeremo dei circuiti in cui si utilizza l'amplificatore operazionale integrato A741. L'amplificatore operazionale che utilizziamo è realizzato con un circuito integrato il cui chip ha otto piedini. Potete trovare la funzione dei vari piedini indicata sulle specifiche. Date un'occhiata allo schema dell'amplificatore operazionale, anch'esso riportato sulle specifiche, vedrete che potrete riconoscervi alcuni dei circuiti che abbiamo montato con i transistor nelle esercitazioni precedenti. Data la presenza dei transistor comprendete che per far funzionare correttamente l'operazionale dovrete fornire una tensione di alimentazione che verrà utilizzata per il bias dei transistor. Nei circuiti di oggi useremo una alimentazione di V.
Un modello semplice per descrivere il funzionamento dell'amplificatore operazionale con feedback negativo (state attenti: non solo è importante che ci sia il feedback ma anche che sia del "segno" giusto) è dato da: Vout = A (V+ - V- ) A = infinito i+ = i- = 0 -> Rin = infinito iout = qualsiasi -> Rout = 0 Banda passante = infinito
Utilizzando questo modello si può capire in prima approssimazione il funzionamento di molti circuiti, durante l'esercitazione tuttavia vedremo anche casi in cui il modello "semplice" non funziona.
1) Amplificatore invertente Progettate un amplificatore invertente che possa essere guidato da un generatore con resistenza di output 100 Ohm e che abbia una amplificazione a centro banda pari a 10. Disegnate qui di seguito il circuito ed indicate i valori delle resistenze che avete scelto.
Inviare un'onda sinusoidale in ingresso e a) Fare il grafico della linearità a centro banda Vout = f(Vin). Indicate la frequenza che avete scelto per il segnale di input per fare questa misura. fin
A quale valore della tensione di input la tensione di output satura? Vin
b) Dalla curva di linearità ricavare l'amplificazione a centro banda A0 e confrontare la misura con il valore teorico AV: A0 AV =
c) Misurate oppure stimate l'impedenza d'ingresso e confrontatela con il valore previsto:
RIN
d) Riportate in grafico l'andamento del fattore di amplificazione in funzione della frequenza. A(f) = VOUT/ VIN Prima di eseguire questa misura provate ad aumentare la frequenza del segnale sinusoidale di input a 50-80 KHz, vedrete che al di sopra di una certa ampiezza (dipendente dalla frequenza) il segnale in uscita è distorto e comincia ad assomigliare di più ad un'onda triangolare. Questa distorsione e' dovuta allo slew-rate dell'operazionale, in pratica esiste una massimo rate a cui può variare la tensione in uscita e quindi ad un certo punto l'uscita dell'operazionale non riesce più a "seguire" la variazione richiesta dall'input. Per evitare questo problema nella misura di A(f) che volete fare state quindi attenti a tenere l'ampiezza del segnale di input sufficientemente bassa. Misurate, se è possibile, le frequenze di taglio oppure mettete un limite qualora la misura risulti difficoltosa: finf = fsup =
e) Quale elemento del circuito determina la diminuzione dell'amplificazione ad alte frequenze ?
f) Inviando in input un'onda quadra con frequenza intorno al KHz e ampiezza 5 V misurate lo slew-rate dell'operazionale e confrontatelo con il valore dato nelle specifiche: SRmisurato = SRspecifiche =
2) Amplificatore non invertente
R
R Vout
Vin
Utilizzando le stesse resistenze che avete utilizzato per l'amplificatore invertente montate l'amplificatore non invertente mostrato in figura. a) Misurate l'amplificazione a centro banda A0 e confrontatela con il valore teorico AV: A0 AV =
b) Misurare l'impedenza d'ingresso e confrontarla con il valore previsto: RIN
c) Quale è la principale caratteristica positiva della configurazione non invertente rispetto a quella invertente ?
3) Integratore Montate un integratore con operazionale (vedi figura) che integri segnali di input di frequenza > 1KHz. Indicate la frequenza di taglio in funzione dei componenti del circuito e l'amplificazione in DC in funzione dei componenti del circuito.
Indicate i valori dei componenti che avete scelto.
C2 R
R Vin
Vout
a) Inviate un'onda quadra in ingresso e verificate il funzionamento come integratore. b) Riportate l'andamento dell'amplificazione in funzione della frequenza (A(f)) e confrontatelo con la curva teorica. In particolare indicate qui di seguito la frequenza di taglio (superiore) e confrontatela con il valore per cui avete progettato il circuito : fmisurata = faspettata =
c) Quale è il ruolo della resistenza R2 posta in parallelo al condensatore? Se l'amplificatore fosse ideale il circuito funzionerebbe da integratore senza questa resistenza? E con un amplificatore non ideale?
d) Quale è il vantaggio di costruire un integratore con un amplificatore operazionale rispetto a costruirlo con una semplice serie di resistenza e condensatore?
5) Derivatore
R
R
Vin C1
Vout
Costruite un circuito derivatore con operazionale che derivi segnali di input di frequenza < 10 KHz. Indicate sul circuito il valore dei componenti che avete scelto. Inviate un'onda triangolare in ingresso e verificate il corretto funzionamento del circuito. a) Trovate la frequenza di taglio sotto la quale il circuito si comporta da derivatore e confrontatela con il valore aspettato: fmisurata = faspettata =
b) Perché il segnale in output viene attenuato ad alti valori della frequenza del segnale di input?
