Schedatura esperienza di laboratorio di TDP - Caratteristiche tecniche di un amplificatore operazionale

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  Schedatura esperienza di laboratorio di TDP

Amplificatore operazionale

In generale il circuito presenta due ingressi (uno definito invertente ed indicato con il simbolo "-", l'altro definito non invertente ed indicato con +) ed una uscita (figura A in alto a destra).
L'impedenza di ingresso presenta un valore molto elevato, teoricamente infinito, mentre l'impedenza di uscita ha valore basso, idealmente nullo. Nella pratica questi valori, così come la banda passante e la frequenza massima di lavoro, sono determinati dalle caratteristiche costruttive dei singoli modelli di circuiti integrati.
La maggior parte degli operazionali è progettata per lavorare con una tensione di alimentazione duale, cioè con un valore positivo ed uno negativo simmetrici rispetto ad una massa, che può essere reale oppure virtuale, la due tensioni non necessariamente debbono avere lo stesso valore, (la tensione positiva potrebbe essere di 15 volt e la negativa di 7 Volt). Il valore della tensione in uscita può spaziare tra le due tensioni di alimentazione, a meno di un piccolo margine.
Quando gli ingressi sono posti allo stesso valore di tensione (cortocircuitati), l'uscita dovrebbe idealmente assumere il potenziale della massa. In realtà il valore diverge verso un estremo, e la differenza di potenziale che deve essere applicata tra gli ingressi per azzerare l'uscita è detta offset, e in alcuni amplificatori operazionali essa può essere corretta agendo su terminali apposti. Alcuni operazionali (ad esempio l'LM358) sono progettati per poter lavorare con una tensione singola rispetto alla massa.

Dal punto di vista costruttivo l'amplificatore operazionale può essere realizzato con transistor bipolari oppure mos-fet, che permettono frequenze di lavoro maggiori, impedenza di ingresso più elevata ed un minore consumo energetico. Esistono circuiti integrati adatti per applicazioni audio, in radiofrequenza, in corrente continua (comparatori); si possono avere modelli ottimizzati per ottenere massima precisione, velocità di risposta, stabilità rispetto alla variazione di temperatura o anche altre caratteristiche.

Nell' esperienza si è adottata la configurazione ad amplificazione invertente pertanto il circuito risulta:

La resistenza R3 può essere omessa ma data la non infinita resistenza di ingresso non infinita e per evitare squilibri all'interno dell'amplificatore deve essere inserita e opportunamente dimensionata.

Caratteristiche generali:

TENSIONE DI ALIMENTAZIONE (+/- V_S)
E' la massima tensione (positiva o negativa) che può essere impiegata per alimentare l'Ampl. Op..

DISSIPAZIONE INTERNA DI POTENZA (P_D)
E' la massima potenza che l'Ampl.Op. può dissipare ad una precisa temperatura ambientale e,    dipende anche dal tipo di contenitore.

DIFFERENZA DI TENSIONE TRA GLI INGRESSI (Vid)
E' la massima tensione che può essere applicata tra gli ingressi + e - .

TENSIONE DI INGRESSO (Vicm)
E' la massima tensione di ingresso che può essere applicata contemporaneamente tra ognuno dei due ingressi e    la massa; chiamata anche tensione di modo comune. Generalmente essa è uguale alla Vs.

DURATA DI CORTOCIRCUITO SULL'USCITA
E' il periodo di tempo durante il quale l'uscita dell'Ampl.Op. può rimanere in cortocircuito con le masse e con le alimentazioni continue. rimanere in corto circuito con la massa o con le    tensioni di alimentazione.  

Tensione e correnti di off-set

L'ingresso di un operazionale è costituito da un differenziale. Le correnti di base dei due Bjt I- ed I + ed I- non sono perfettamente uguali e diremo corrente di offset la I _offset = I ₊ - I-. Analogamente le due tensioni di base V_be1 e V_be2 differiscono tra loro e diremo tensione di offset la V _offsset = V_be1 - V_be2. Tale tensione, dell'ordine del mV, è sufficiente, nelle applicazioni a catena aperta, a portare in saturazione l'operazionale, cioè ha forzare la tensione uscita a  ± Vcc indipendentemente da un eventuale segnale di ingresso.

Nell'esperienza per trovare il valore della tensione di off set si è posto a massa i due ingressi sia quello invertente che quello non invertente. Attraverso un multimetro si è rilevata la tensione di uscita. Attraverso l'uso degli ingressi di bilance si è posta a zero la tensione di uscita.

Valori rilevati

Il guadagno di un amplificatore operazionale invertente è data dalla formula:

Il valore della resistenza R₁ è pari a: 3.3 KW

Il valore della resistenza R₂ è pari a: 68 KW

Il valore della resistenza R₃ è pari a: 3.15 KW che commercialmente è di 3.3 KW, il valore R₃ è dato dalla formula:

R₃ = R₁ // R₂

Il guadagno complessivo è di - 20.6, secondo la formula. Il guadagno viene posto con il segno meno perché l' amplificatore è invertente, pertanto con un innalzamento della tensione di ingresso ci sarà in uscita una amplificazione negativa del segnale.

Il valore misurato di tensione di offset è pari a 60 mV.

Per l'azzeramento si interpone nel circuito montato su bread - board un potenziometro secondo lo schema:

Azionando il trimmer e cambiando il valore di resistenza si avvicina l'uscita a zero cioè al potenziale di massa come deve essere dato che gli ingressi sono entrambi a massa.

Questo squilibrio è dovuto alla, mancanza di simmetria nel circuito interno dell'amplificatore operazionale.

Una volta terminato l'azzeramento dell'amplificatore si è verificata l'amplificazione in continua:

Si collega l'ingresso invertente a + Vcc l'uscita assumeva il valore di - 11.11 V

Si collega l'ingresso invertente a -    Vcc l'uscita assumeva il valore di 11.17 V

Prova dinamica

Attraverso l'uso dell'oscilloscopio e del generatore di funzioni si è provato l'amplificazione con un segnale non continuo nel nostro caso un segnale sinusoidale:

Si è collegato all'ingresso invertente dell'operazionale un'onda sinusoidale di ampiezza arbitraria. Si è collegata all'uscita l'ingresso di un canale dell'oscilloscopio, si è notato che il segnale di uscita viene amplificato fino ad un certo valore del segnale di ingresso, se il segnale di ingresso risulta essere molto elevato (qualche volt9) il segnale in uscita si trova distorto come in figura:

L'uscita si trasforma in un onda quadra.

La massima tensione in ingresso perchèil segnale non venga distorto attraverso l'oscilloscopio è stata misurata pari ad 1 Vpp.

La tensione di uscita risultava essere di 20Vpp come analiticamente calcolato:

v_o = - 20.6 x 1Vpp 20 Vpp

Terminata l'esperienza e acquisiti i dati si è passati alla stesura della relazione.