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Elettronica Applicata - Amplificatori Operazionali - Misura dei parametri fondamentali

tecnica


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Elettronica Applicata - Amplificatori Operazionali - Misura dei parametri fondamentali

                                                                  IV Lezione del laboratorio 

di Elettronica Applicata

Amplificatori Operazionali

Misura dei parametri fondamentali

L'amplificatore operazionale (OPAMP) è forse il circuito integrato lineare oggi d'uso più comune; è facile da utilizzare perché richiede solo un minimo di conoscenze algebriche.

L'attuale OPAMP a circuito integrato è un amplificatore a corrente continua di guadagno molto elevato che usa reti esterne di reazione per controllare il suo guadagno e quindi la sua risposta.

Un OPAMP senza reazione 939e43j esterna è detto ad anello aperto.



Questa configurazione può essere utilizzata per descrivere meglio le caratteristiche di un OPAMP ideale che sono:

1)  Il guadagno ad anello aperto è infinito ();

2)  La resistenza di ingresso è infinita ();

3)  La resistenza di uscita è nulla (Ri=0);

4)  La larghezza di banda è infinita;

5)  La tensione di uscita è nulla quando la tensione di ingresso è nulla (offset di tensione nullo).

Nessun OPAMP reale può tuttavia soddisfare in pratica queste cinque caratteristiche dell'OPAMP ideale ad anello aperto.

Nelle seguenti esperienze abbiamo quindi cercato di vedere di quanto il comportamento dell'OPAMP reale si discosta da quello ideale

Esperimento N.1:

 

A)  Caratteristica ingresso-uscita:

In questa prima prova abbiamo voluto visualizzare sull'oscilloscopio la caratteristica ingresso-uscita dell'OPAMP mA741.

Abbiamo quindi realizzato il seguente circuito:

applicando in ingresso un segnale sinusoidale di ampiezza Vpp=130mV e frequenza f=151Hz, abbiamo predisposto l'oscilloscopio in modalità XY e collegato il suo canale 1 all'ingresso del circuito, il suo canale 2 all'uscita del circuito; in questo modo abbiamo potuto visualizzare la sua caratteristica ingresso-uscita:

Essa evidenziava che l'OPAMP si comporta come un amplificatore con elevato guadagno, all'interno della regione di saturazione.

Inoltre in uscita, sempre nelle stesse condizioni, abbiamo misurato un segnale di Vo=21,8V.

B)  Misura della corrente e della tensione di offset e delle correnti di polarizzazione:

Si definisce tensione di offset in ingresso Vos: la tensione che deve essere applicata ad uno dei terminali di ingresso affinché sia nulla la tensione di uscita.(idealmente nulla).

Si definisce corrente di offset di ingresso la differenza delle correnti che entrano nei due morsetti dell'OPAMP (I+ - I- ):

Si definiscono correnti di polarizzazione di ingresso( Input bias current I+ e I- ): la media delle correnti che entrano nei due ingressi ( in condizioni ideali i due valori di corrente di polarizzazione di ingresso sono uguali ).

Per prima cosa abbiamo montato il seguente circuito:

Dopo averlo montato sulla bread-board ne abbiamo misurato con il multimetro la tensione di uscita:

sapendo che:

Poi cortocircuitando la R1 abbiamo misurato la nuova tensione di uscita:

sapendo che in queste condizioni:

Infine cambiando il circuito nel modo seguente :

abbiamo quindi misurato la nuova tensione di uscita:

sapendo che:

in quest'ultima relazione il termine dominante è quello legato alla tensione di offset, cioè il primo; quindi diventa:

dalla seconda relazione ricaviamo poi che:

infine possiamo ricavare dalla prima relazione che :

Quindi ricapitolando i risultati ottenuti abbiamo che:   

Vos=0.17mV               (tensione di offset)

I-=39.5nA                   (corrente entrante nel morsetto negativo)

I+=37.87nA                (corrente entrante nel morsetto positivo)



Ios= I--I+=1.63nA        (corrente di offset)

Ip=(I--I+)/2=815pA     (corrente di polarizzazione)

Esperimento N.2:

 

A)  Misura del prodotto guadagno-larghezza di banda(GBW) dell'operazionale:

Per misurare tale fattore abbiamo montato il seguente circuito:

il partitore Ra- Rb serve per attenuare di 100 volte il segnale di ingresso, il guadagno dell'amplificatore invertente successivo è:

 

quindi il guadagno complessivo è -10.

Per prima cosa abbiamo fornito al circuito un segnale sinusoidale di ampiezza V1pp=91mV e frequenza f1=100Hz, misurando così in uscita una tensione Vopp=1V, poi abbiamo aumentato la frequenza fino a quando la tensione di uscita si riduce di 3dB (Vopp=0.7V), tale valore di frequenza corrisponde alla frequenza di taglio fH=860Hz.

Successivamente abbiamo aumentato la frequenza del segnale di ingresso di una decade (cioè ci spostiamo su una retta a -20dB/dec.) f2=10*fH=8.6kHz lasciando invariata l'ampiezza (V1pp=91mV), misurando così una tensione di uscita di Vopp2=140mV; quindi:

Poi abbiamo sostituito la R2 portandola ad un valore di 100kW, quindi il guadagno dell'amplificatore invertente è diventato:

quindi il guadagno complessivo è -1.

Abbiamo quindi fornito al circuito un segnale sinusoidale di ampiezza V1pp=0.98V e frequenza f1=100Hz, misurando così in uscita una tensione Vopp=1V, poi abbiamo aumentato la frequenza fino a quando la tensione di uscita si riduce di 3dB (Vopp=0.7V), tale valore di frequenza corrisponde alla frequenza di taglio fH=10.2kHz, quindi:

per cui  GBW1= GBW2 , cioè esso rappresenta una caratteristica dell'amplificatore operazionale.

Infine abbiamo applicato in ingresso un'onda quadra a bassa frequenza f=1kHz e ampiezza V1pp=1V, e abbiamo osservato in uscita il tipico andamento della risposta al gradino di un sistema del primo ordine:

B)  Misura dello slew-rate dell'amplificatore operazionale:

Si definisce SLEW - RATE ( rapidità di risposta ) la derivata (velocità di variazione) della tensione di uscita relativa ad un guadagno di tensione unitario dell'OPAMP.

Per misurarlo abbiamo usato il seguente schema circuitale di buffer:

ponendo in  ingresso un'onda quadra di ampiezza V1pp=5V e frequenza f=100Hz, abbiamo misurato:

DV=4.8V

Dt=8.9ms

quindi lo slew-rate vale:

S.R.=DV/Dt=0.539V/ms

Esperimento N.3:(OPAMP in configurazione differenziale):

 

Questa configurazione è data dalla fusione di quella invertente e di quella non invertente; il suo segnale di uscita  è proporzionale alla differenza dei segnali di ingresso.

Schema del circuito:

Dopo aver montato il circuito sulla bread-board gli abbiamo fornito un segnale di modo comune (uguale ai due ingressi) Vicm=21V misurando in uscita un segnale di Vocm=25mV, quindi:

Poi gli abbiamo fornito un segnale differenziale Vidm=Vi1- Vi1=1.92V misurando in uscita un segnale Vodm=18.6V, quindi:

per cui:



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