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Amplificatore retroazionato in configurazione invertente

elettronica




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Amplificatore retroazionato in configurazione invertente




SCOPO

Studio dei comportamenti dell' amplificatore invertente - non invertente


TEORIA

Banda passante:

La banda passante di un amplificatore operazionale dipende dalle caratteristiche dello stesso operazionale il quale va scelto opportunamente a secondo di come lo si usa. Essa può essere definita come l'intervento di frequenze entro il quale l'attenuazione della tensione di uscita è nulla. Attraverso l'introduzione di un condensatore in seri in ingresso si è in grado di eliminare la componente continua dei segnali facendo si che il condensatore funga da "filtro".




Il grafico risultante in assenza del condensatore posto in serie in ingresso sarà il seguente:















La banda passante può essere definita anche numericamente:




frequenza di taglio superiore frequenza di taglio inferiore





La frequenza nel punto in cui l'amplificatore operazionale è pari a è definito frequenza di taglio dove nel nostro caso sarà inizialmente di 0.707 per il fatto che abbiamo un guadagno pari ad 1



CONDOTTA

La prova è divisa in tre parti in cui vengono utilizzati in ciascuna un valore di amplificazione diverso in modo da studiare i vari comportamenti.


Il circuito relativo all'esperienza sarà un amplificatore operazionale in configurazione invertente


Gli Amplificatori Operazionali sono caratterizzati dall'avere un elevatissimo guadagno A e, siccome la massima tensione di uscita VOUT che si può avere, senza che il segnale sia distorto, è uguale o inferiore alla Vs di alimentazione è facile comprendere come piccole tensioni di ingresso, dell'ordine dei mV, portano ad elevate tensioni di uscita e quindi a distorsioni dovute a saturazioni.





I valori delle resistenze fornitici sono i seguenti:


R1 = R2 = 10 kΩ                                                    Av = -1

R1 = 10 kΩ ; R2 = 100 kΩ                                  Av = -10

R1 = 1 kΩ; R2 = 100 kΩ   Av = -100




Il guadagno è calcolabile attraverso la formula:



Relativa alla configurazione non invertente.





PROVA PRATICA:

Si monta il circuito relativo all'amplificatore con configurazione non invertente. E' utile calcolare la tensione alla quale si trova il punto di taglio,per far ciò è necessario conoscere per ogni prova la tensione d'ingresso. Per il calcolo della tensione si procede utilizzando il valore fornito dall'oscilloscopio il quale risulta essere il doppio rispetto il valore di tensione del generatore di funzioni. Il generatore di funzioni viene disposto con un'onda sinusoidale alla minima frequenza disponibile in modo da effettuare la prima misurazione. Bisogna tener conte della tensione fornita dall'amplificatore la quale deve essere molto bassa per far sì che non si verifichi il fenomeno di saturazione dell'amplificatore stesso.






Lo schema elettrico sarà il seguente:








Qui riportato un esempio di guadagno di questo circuito; l'onda nera rappresenta il segnale d'ingresso, mentre l'onda rossa rappresenta l'uscita





Calcolate la tensione alla quale si trova il punto di taglio si procede incrementando la frequenza del generatore di funzioni. Si arriverà alla frequenza di taglio nel momento in cui la tensione misurata sarà uguale alla tensione calcolata.

Il calcolo della tensione alla quale si trova la frequenza di taglio si ottiene con la seguente formula: . Attraverso l'utilizzo dell'oscilloscopio sarà possibile calcolare Vin che introdotta nella formula insieme ai relativi guadagni ci permette il calcolo della tensione Vt.

Il calcolo della Vout viene effettuato sempre attraverso l'utilizzo dell'oscilloscopio




Av = -1                       Vin = 2 ; Vout 1.7 ; Vt = 1.25 Ft = 1.9 Mhz

Av = -10 Vin = 1 ; Vout 9.9 ; Vt = 7.05 Ft = 260 kHz

Av = -100                   Vin = 0.1 ; Vout 9.2 ; Vt = 6.50 Ft = 26 kHZ



guadagno                 tensione in ingresso frequenza di taglio


tensione in uscita



tensione di taglio







Amplificatore retroazionato in configurazione non invertente




Il circuito relativo all'esperienza sarà un amplificatore operazionale in configurazione invertente



In questo circuito, come si vede, la tensione di ingresso è applicata all'ingresso non invertente. Il segnale di uscita è in fase con quello in ingresso e, quindi, proprio per la sua fase non può essere riportato allo stesso ingresso, poiché provocherebbe un aumento della tensione d'ingresso e, di conseguenza distorsioni ed oscillazioni. Il segnale di uscita, quindi, viene portato, come per il circuito invertente, con una rete di retroazione all'ingresso invertente.


CONDOTTA:

Il procedimento è come quello della prova precedente, ripetendo le misure con configurazione non invertente. Il calcolo del guadagno si effettuerà con la seguente formula:





I valori delle resistenze saranno uguali a quelle precedenti


R1 = R2 = 10 kΩ                                                    Av = 1

R1 = 10 kΩ ; R2 = 100 kΩ                                  Av = 11

R1 = 1 kΩ; R2 = 100 kΩ   Av = 101



Si procede come sopra nel calcolo della tensione alla quale si torva il punto di taglio, dopodichè per ogni configurazione si aumenta la frequenza fino che la tensione in uscita misurata dall'oscilloscopio risulti pari a Vt.



Av = 1                       Vin = 1 ; Vout = 1.2 ; Vt =0,70 Ft = 3,02 MHz

Av = 11 Vin = 0.5 ; Vout = 5.57 ; Vt = 3,89 Ft = 2,47 MHz

Av = 101                   Vin = 0.1 ; Vout = 9.84 ; Vt = 7,14 Ft = 24,9 kHz




CONCLUSIONI

E' possibile mettere a confronto i valori delle due esperienze notare come in entrambe il guadagno di tensione imposto dall'operazionale diminuisca all'aumentare della frequenza. Inoltre attraverso una precisa impostazione della frequenza del generatore si è in grado di raggiungere un livello preciso di tensione. Con un guadagno di tensione non elevato la banda passante risulta essere maggiore con una configurazione non invertente.





















Regolatori di tensione




SCOPO:

Verificare il comportamento del regolatore di tensione e calcolare il punto di saturazione dell'amplificatore



TEORIA:

Il regolatore di tensione presenta una tensione d'uscita proporzionale a quella d'ingresso. Per far si che venga incrementata la corrente si aggiunge un darlington all' amplificatore che permette l'aumento di quest'ultima senza causare un carico eccessivo sull'operazionale. L'introduzione del darlington si effettua per il fatto che l'amplificatore presenta una corrente massima erogabile limitata.



CONDOTTA

La prova consiste nel montare il circuito relativo allo schema elettrico che segue, calcolare i valori di tensione nei vari "steep" stabiliti in modo da trovare il punto di saturazione e si seguito calcolare la potenza e la corrente sul carico.



Schema elettrico



La configurazione utilizzata è serie parallelo.

Il circuito è composto oltre che dal generatore (che fornisce una tensione in continua) da un amplificatore operazionale in configurazione non invertente e da un darlington.

L'amplificatore provvede ad alzare il valore di tensione, nel frattempo il darlington fa in modo che si possa assorbire un valore elevato di corrente.

Le resistenze R1 ed R2 sono utilizzate per la realizzazione della configurazione non invertente, R3 è la resistenza interna al generatore di tensione continua ed RL è la resistenza del carico utilizzata per dissipare potenza.

R2 è utilizzata per retroazionare l'intero sistema.




Valori delle restenze:



R1 = 1 kΩ                                                R1 = 0,988 kΩ

R2 = 10kΩ R2 = 9,88 kΩ

R3 = 2,2 kΩ

RL = 500 Ω 5W    RL = 497, 93 Ω



Si procede calcolando i valori reali attraverso l'utilizzo del multimetro in modo da poter calcolare la potenza dissipata. Il calcolo reale di R3 non viene effettuato,perchè la R3 serve per la caduta di tensione in caso di uscite positive e quindi non è importante conoscere il valore preciso.


Ottenuti i valori delle resistenze reali si calcola il guadagno in modo da calcolare successivamente la tensione d'uscita. (precsiamo che questi sono calcoli teorici)



Vout = Av * Vin



Calcolo delle tensioni in uscita:


Vin Vout
































Si prosegue misurando con il multimetro la tensione di uscita variando la tensione d'ingresso: Vin          0 : 2 Vmax , poi si calcolano potenza e corrente con le formule che seguono:



          





Vin (V)

Vout (V)

IL (mA)

PL (mW)












































Attraverso Excel si può tracciare i grafici degli andamenti rispettivi a tensione in uscita corrente e potenza:














CONCLUSIONI:

L'andamento di tensione, corrente e potenza risulta uguale in tutti i tre grafici. Si noti che l'andamento si stabilizza dal punto di saturazione in poi ovvero quando l'operazionale non è più in grado di fornire tensione superiore a circa 13 Volt.















Slew Rate



SCOPO:

Misurazione dello Slew Rate di un circuito ad amplificatore operazionale invertente.


TEORIA:

Il termine Slew Rate significa velocità di salita, esso determina il tempo impiegato da un circuito elettronico per riprodurre un breve segnale di grande ampiezza. Solitamente indica il tempo necessario ad un amplificatore di potenza per amplificare un segnale; si esprime in Volt/microsecondo (V/us). Uno Slew-Rate elevato determina solitamente una grande velocità di risposta agli impulsi sonori e quindi un'ottima capacità dinamica dell'amplificatore.   



CNDOTTA:

Per determinare lo Slew Rate è stato applicato all'ingresso dell'operazionale in configurazione invertente un onda quadra di 500 mVolt di picco ad una frequenza di 10kHz. Tramite l'oscilloscopio si è potuto osservare che la forma d'onda non è perfettamente quadra come nel caso di Vin ,ma bensì trapezoidale questo perché la risposta a gradino dipende dalla capacità interna del dispositivo che crea quindi una distorsione.

Nell'immagini dell'andamento di Vout si nota che il segnale d'uscita non raggiunge subito il valore massimo ma come mostra la figura impiega un po' di tempo.




ΔV rappresenta il  tempo di salita del segnale  Vout cioè il tempo impiegato dal segnale Vout a passare dal 10% al 90% del suo valore massimo.

Lo schema elettrico risulta essere il seguente:



Si procederà misurando all'oscilloscopio il valore picco - picco del segnale d' uscita , poi si rileverà la misura di tempo ovvero il tempo che la tensione d'uscita impiega per raggiungere il valore massimo.

Ottenuti i valori si prosegue con il calcolo dello Slew - Rate:




                        5V

1,94 μs


SR 2.6 V/ μs



Misurazione effetuata con l'oscilloscopio











Noti Vomax e lo Slew - Rate è possibile trovare la frequenza massima del segnale d'ingresso sinusoidale che non dà luogo a distorsioni d'uscita,tale frequenza risulta:




Vomax rappresenta il valore di picco della tensione in uscita ,cioè la massima erogazione in 1/2 periodo.





CONCLUSIONI:

Attraverso questa esperienza è stato calcolato lo Slew - Rate dell'operazionale che andrà poi confrontato con il valore del SR nel data - sheet.


























Circuiti con elementi non lineari inseriti nella retroazione



SCOPO: Verificare il comportamento dei vari circuiti limitatori (limitatoti semplici - doppi) attraverso l'utilizzo dell'oscilloscopio.

TEORIA:Il limitatore è un circuito che lascia passare soltanto quella parte del segnale che si trova al di sopra o al di sotto di un particolare livello di riferimento, oppure che è compresa tra due livelli di riferimento. Utilizzando un amplificatore operazionale, si può ottenere la limitazione della tensione di uscita inserendo la rete limitatrice nella rete di retroazione in modo da determinare una brusca variazione del guadagno a catena chiusa dell'amplificatore operazionale.

Una prima rappresentazione del circuito potrebbe essere la seguente:









Si può ottenere ciò utilizzando un circuito invertente la cui rete di retroazione contenga elementi non lineari i quali determinano la limitazione in corrispondenza ad uno o due livelli prefissati

Un limitatore semplice può essere definito come un circuito che limita le variazioni della tensione di uscita al di sopra o al di sotto di un prefissato valore.

Un limitatore doppio è un circuito che lascia passare il segnale quando questo si trova compreso fra due livelli ben definiti o esternamente ad essi.



CONDOTTA:

Limitatore con diodo:

La rete limitatrice è costituita da un diodo inserito nella rete di retroazione di un amplificatore operazionale in configurazione invertente, in derivazione alla resistenza R2, come in figura.

limitatore ad un solo livello caratteristica di trasferimento













Con riferimento al circuito, l'anodo del diodo è collegato all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale, che è una massa virtuale e quindi a un potenziale di riferimento di zero volt. Il diodo sarà in conduzione quando il catodo, collegato all'uscita dell'amplificatore operazionale, diventando negativo rispetto alla massa, raggiunge il valore -V. Interdetto quando maggiore di -V.

Analiticamente la formula per il guadagno è la seguente dato che l'amplificatore ha una configurazione invertente mentre il calcolo della tensione d'uscita risulta essere il seguente: Vo = Av * Vi


Si monta il circuito utilizzando due resistenze con valori di: R1=10kΩ ed R2=100KΩ e si misura con l'oscilloscopio la tensione d'uscita e d'entrata.


Vi - Vout







Limitatore con diodo e diodo zener:

Se si vuole limitare la tensione d'uscita ad un valore diverso da quello della tensione di soglia del diodo, si possono utilizzare due diodi in antiserie, uno normale e uno zener.


limitatore ad un solo livello caratteristica ditrasferimento






Con riferimento al circuito, la corrente nel ramo della rete di retroazione contenente i due diodi può circolare soltanto nel verso del diodo D quando la tensione ai capi del diodo zener DZ è uguale a quella di zener VZ. Il diodo D è in conduzione diretta e il diodo zener DZ è in conduzione inversa quando Vo = VZ + Vg


Vin - Vout






Limitatore con diodo zener:

Per ottenere un limitatore doppio è sufficiente togliere dal circuito del limitatore semplice , con diodo e diodo zener, il diodo.


Limitatore doppio caratteristica di trasferimento





Il segnale d'uscita risulta limitato tra le tensioni Vz e Vg


Vin - Vout











Limitatori con due diodi zener:



limitatore doppio caratteristica di trasferimento











Invertendo entrambi i diodi si scambiano tra loro le tensioni di uscita alle quali avvengono le limitazioni.


Vin - Vout








CONCLUSIONI:

L'andamento della tensione d'uscita visualizzata con l'oscilloscopio, risulta essere quella che ci si aspettava.

Raddrizzatori di precisione



SCOPO: Verificare il comportamento del raddrizzatore a semionda e di quello a doppia semionda attraverso l'utilizzo dell'oscilloscopio.



TEORIA:

Un raddrizzatore di precisione è un circuito in grado di raddrizzare segnali di ampiezza minore di 0,7V, e ampiezza minima di (10 m V.




CONDOTTA:

raddrizzatore a semionda:

Il raddrizzatore a semionda trasferisce in uscita la sola semionda negativa del segnale d'ingresso e la inverte.





schema elettrico caratteristica di trasferimento



Quando Vi attraversa lo zero Vo1 varia bruscamente da -V g a + V g. Durante questa commutazione risultano interdetti entrambi i diodi, non vi è alcuna retroazione, e il circuito si comporta da comparatore con guadagno uguale a quello intrinseco dell'amplificatore operazionale e tensione di riferimento quella di massa.

In entrambi i casi (sia che Vi attraversa lo zero in aumento sia in diminuzione) l'uscita Vo1 tenderà a portarsi in saturazione ponendo sicuramente in conduzione uno dei due diodi.




Vin - Vout










Raddrizzatore a doppia semionda con carico non collegato a massa:

Sono circuiti che trasferiscono in uscita sia la semionda positiva che la negativa , invertendone una soltanto.



schema elettrico caratteristica di trasferimento


Questo raddrizzatore si ottiene utilizzando il ponte di Greatz nella rete di retroazione di un amplificatore operazionale.




Vin - Vout









Raddrizzatore a doppia semionda con carico collegato a massa:

L'uscita Vo1 del raddrizzatore a singola semionda viene sommata al segnale d'ingresso con un rapporto di 2 a 1.


schema elettrico













caratteristica di trasferimento












L'uscita V0 del raddrizzatore sarà caratterizzata da semionde solo negative cioè entrambe le semionde vengono raddrizzate.

Se si vuole ottenere in uscita una tensione sempre positiva, pari al valore assoluto del segnale d'ingresso, è sufficiente invertire i diodi.




Vin- Vout





Vin - Vout (con i diodi invertiti)












CONCLUSIONI:

L'andamento della tensione d'uscita visualizzata con l'oscilloscopio, risulta essere quella che ci si aspettava.








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