MISURA DELLA TENSIONE DI OFFSET E DELLE CORRENTI DI POLARIZZAZIONE

Parte 1

Parte 2

RELAZIONE

L'esperienza effettuata in laboratorio si è articolata in cinque fasi: 

la prima fase consisteva nell'andare a montare il circuito attraverso il quale si poteva rilevare il valore della tensione di offset di un amplificatore operazionale in configurazione invertente;

la seconda fase consisteva nel trovare il segnale da applicare in ingresso per eliminare il disturbo dovuto alla tensione di offset;

la terza fase consisteva nell'andare a montare il circuito attraverso il quale era possibile rilevare la misura delle tensioni presenti sugli ingressi di un amplificatore operazionale in configurazione invertente;

la quarta fase consisteva nel calcolare, sfruttando la legge di Ohm, i valori delle correnti di polarizzazione presenti agli ingressi dell'operazionale, per poi calcolarne il relativo valore medio;

la quinta fase consisteva nell'andare a confrontare i dati rilevati sperimentalmente con i dati forniti dal costruttore nei data sheet del componente utilizzato.

CENNI TEORICI SUGLI AMPLIFICATORI OPERAZIONALI:

Gli amplificatori operazionali sono chiamati in questo modo in quanto sono stati utilizzati, ma lo sono tutt'ora, per effettuare operazioni come somme, moltiplicazioni ed integrazioni di segnali analogici.

Gli amplificatori operazionali sono dei circuiti integrati; ciò fa si che risulta più agevole e semplice l'analisi e la progettazione di reti che li utilizzano.

Attualmente è possibile trovare questi componenti ad un costo modesto senza che sia pregiudicato il loro funzionamento. I componenti che si possono trovare in commercio si dividono in quattro categorie:

amplificatori operazionali per scopi generali (general purpouse);

amplificatori operazionali veloci;

amplificatori operazionali per strumentazione;

amplificatori operazionali di potenza.

Gli amplificatori operazionali possono essere impiegati in diversi campi, ad esempio come:

nelle applicazioni lineari;

nelle applicazioni non lineari;

nei generatori di forme d'onda;

nei filtri attivi;

nei convertitori Analogico - Digitale;

nei convertitori Digitale - Analogico.

Gli amplificatori operazionali sono fondamentalmente degli amplificatori a più stadi che, in maniera ideale, dovrebbero presentare i seguenti parametri caratteristici:

un guadagno o amplificazione infinita;

una resistenza in ingresso infinita;

una resistenza in uscita nulla.

Tuttavia gli amplificatori operazionali presenti in commercio non presentano i parametri caratteristici ideali, anche se i componenti reali, usati nella maniera migliore, si avvicinano molto al loro comportamento ideale.

TABELLA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI DI DUE AMPLIFICATORI OPERAZIONALI

PIEDINATURA DI UN AMPLIFICATORE OPERAZIONALE

L'integrato che contiene un amplificatore operazionale è costituito da otto piedini (PIN) numerati, partendo da quello posto alla sinistra dell'asola di riferimento, da uno fino ad otto ruotando in senso antiorario.

Il pin numero otto non è collegato.

I pin quattro e sette sono utilizzati per fornire alimentazione al dispositivo in quanto è caratterizzato da un'alimentazione duale (due tensioni aventi la stessa ampiezza ma segno opposto): il piedino numero quattro è collegato a -Vcc, mentre il piedino numero sette è collegato a +Vcc.

Ai pin due e tre vengono applicati i due segnali di ingresso: il piedino due, che è indicato dal segno meno (-), viene detto ingresso invertente in quanto il segnale applicatovi viene si amplificato ma sfasato di 180°; il piedino tre, che è indicato con il segno più (+), viene detto ingresso non invertente in quanto il segnale posto in ingresso viene amplificato e lasciato in fase.

I pin uno e cinque sono utilizzati da colui che utilizza il dispositivo per cercare di eliminare il disturbo dovuto alla tensione di offset.

In quanto il dispositivo ha un'amplificazione elevata, l'amplificatore va presto in saturazione, cioè l'uscita arriva quasi subito al valore massimo, valore pari alla tensione di alimentazione (ħVcc).

LA TENSIONE DI OFFSET

Il fenomeno della tensione di offset consiste nella presenza in uscita di un segnale pur non avendone applicato alcuno in ingresso. Il verificarsi del fenomeno è dovuto all'elevata amplificazione dell'operazionale ed alla tensione di alimentazione.

Questo fenomeno non è altro che un disturbo del dispositivo. Per cercare di eliminarlo è possibile, come già detto in precedenza, agire sui pin uno e cinque. Tuttavia agire sui questi piedini è alquanto difficile per gli utilizzatori del dispositivo, quindi intervenire sui pin è compito quasi esclusivo del costruttore dell'operazionale.

Per eliminare il disturbo è possibile inoltre applicare in ingresso un segnale, chiamato Vin-OFFSET, calcolato dividendo il disturbo per il guadagno dell'operazionale.

AMPLIFICATORI OPERAZIONALI IN CONFIGURAZIONE INVERTENTE

Gli amplificatori operazionale possono trovarsi in diverse configurazioni.

Un amplificatore operazionale si dice in configurazione invertente quando il segnale viene posto all'ingresso invertente ( - ), cioè quando si vuole in uscita un segnale amplificato ma sfasato di 180° rispetto a quello posto in ingresso.

All'interno dell'operazionale circolano delle correnti di piccole dimensioni (nell'ordine dei nA) che sono chiamate correnti di polarizzazione. La loro presenza è dovuta all'elevata impedenza in ingresso (idealmente infinita) ed alla presenza di transistor, quindi di semiconduttori, nel dispositivo.

Le correnti di polarizzazione comportano, analizzando il valore della tensione di ingresso dell'operazionale, valore che si avvicina allo zero, che il potenziale dell'ingresso + è il medesimo di quello dell'ingresso -. Infatti una delle caratteristiche degli amplificatori operazionali è quella di avere gli ingressi equipotenziali.

Analizzando l'operazionale in questa configurazione, considerandone i sui parametri caratteristici (vedi foglio3), senza collegamenti, è possibile notare che la corrente che entra negli ingressi del dispositivo è trascurabile in quanto la tensione ai loro capi è molto piccola:

555i86f 555i86f

dove V e la tensione ai capi degli ingressi e Ri* e l'impedenza in ingresso dell'operazionale.

Da ciò è possibile affermare che il nodo A è teoricamente un nodo virtuale e che la corrente i è uguale a -i Poiché la tensione presente tra i punti B e A è la medesima di quella tra i punti B' e 0, in quanto gli ingressi dell'operazionali sono equipotenziali, si ha che:

555i86f 555i86f 555i86f

555i86f

Quindi, essendo , si ha:

555i86f    

Dove il segno meno davanti alle resistenze, non potendo essere negative, sta a significare che i segnali sono sfasati di 180°.

FASE 1:

Per rilevare il valore della tensione di offset di un amplificatore operazionale in configurazione invertente si è utilizzato l'intergrato µA741 (la 'A' sta ad identificare il produttore).

Dopo aver posizionato le resistenze R e R (chiamata resistenza di reazione), come rappresentato FIGURA 1 (vedi foglio1), si sono collegati i due ingressi a massa in modo da non fornire alcun segnale in ingresso. Infine si è collegato il multimetro impostato come voltmetro per misurare l'ampiezza del segnale di tensione presente in uscita.

Non applicando alcun segnale in ingresso, in uscita, teoricamente, non avrebbe dovuto esserci nessun segnale; tuttavia, a causa dell'elevata amplificazione dell'operazionale, a causa della tensione di alimentazione del dispositivo e a causa delle correnti di polarizzazione dell'amplificatore stesso, andando a leggere sul multimetro, dopo aver fornito l'alimentazione duale al dispositivo contenuto  nell'integrato, il valore della tensione di uscita, essa non risultava nullo. Ciò era dovuto al disturbo della tensione di offset.

FASE 2:

Dopo aver rilevato la tensione di offset di uscita del dispositivo (VOFFSET = 20mV), si è andati a cercare di eliminare il disturbo da essa generato. Per fare ciò, non potendo agire sui pin uno e cinque come già specificato in precedenza, si è andati a calcolare l'ampiezza del segnale da applicare in ingresso (VinOFFSET). Per fare ciò si è andati a calcolare il guadagno dell'operazionale facendo il rapporto tra la resistenza di reazione e R , per poi dividere il valore della tensione di offset con il guadagno stesso, ricavando così l'ampiezza di Vin-OFFSET (vedi foglio3).

FASE 3:

Per rilevare il valore della tensione presente sugli ingressi di un amplificatore operazionale in configurazione invertente, dopo aver posizionato le resistenze R , R e R , come rappresentato FIGURA 2 (vedi foglio2), si sono collegati i due ingressi a massa in modo da non fornire alcun segnale in ingresso. Infine si è collegato il multimetro prima ai capi di A, per rilevare il valore della tensione presente sull'ingresso invertente, e poi ai capi di B, per rilevare il valore della tensione presente sull'ingresso non invertente.

FASE 4:

Dopo aver rilevato i valori di VA e VB si è stati in grado, sfruttando la legge di Ohm : , di calcolare il valore delle correnti di polarizzazione e per poi calcolarne il valore medio (vedi foglio3).

FASE 5:

Una volta terminate le fasi di rilevazione e di calcolo si è andati a confrontare i valori ricavati sperimentalmente con quelli forniti dal costruttore dell'operazionale. Dal confronto è emerso che:

a)   poiché sui data sheet l'ampiezza del segnale da applicare in ingresso per eliminare il disturbo aveva un valore tipico di 3mV ed uno massimo di 5mV, la nostra VinOFFSET era accettabile;

b)   poiché sui data sheet il valore della corrente IB (Input Bias Corrent) aveva un valore tipico di 10nA ed uno massimo di 100nA, le nostre correnti di polarizzazione erano accattabili.

In conclusione è possibile affermare che l'integrato contenente l'amplificatore operazionale da noi utilizzato ha funzionato perfettamente.