Basetta per misure su amplificatori

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1 Basetta per misure su amplificatori Per le misure viene utilizzata una basetta a circuito stampato premontata, che contiene due circuiti (amplificatore invertente e noninvertente). Una serie di interruttori permette di realizzare diverse configurazioni circuitali. Sono predisposti ancoraggi in corrispondenza dei vari punti di misura (segnale e massa). La descrizione dettagliata della basetta è nel Manuale dell esercitazione 3. Connettore per alimentazioni Ancoraggi per sonde di misura (esempio) Ingresso canale noninvertente Ingresso canale invertente Interruttori di configurazione (esempio) Lezione A6, slide 26, 43, 59, 68

2 Misure su circuito invertente Utilizzare il modulo A32, e configurarlo come indicato nella tabella interruttori J9 V I J14 R9 22k J10 J12 R10 100k ua741 R8 10k J11 J13 Tabella interruttori S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 2 chiuso 1 R11 non inserita 1 R12 non inserita Applicare all'ingresso un segnale triangolare di 2 Vpp, periodo 3 ms; in queste condizioni: Determinare il guadagno (modulo e segno) misurando il segnale in ingresso e in uscita; Verificare che il morsetto non invertente () dell'amplificatore operazionale sia a potenziale prossimo a zero (multimetro o oscilloscopio) Verificare che la tensione continua e quella di segnale sul morsetto invertente () dell'amplificatore operazionale siano prossime a zero (conviene usare l oscilloscopio). Lezione A6, slide 59, 60

3 Misura della resistenza di uscita La tecnica di misurare tensione a vuoto e corrente di cortocircuito è applicabile sulla carta ma non in laboratorio: il cortocircuito all uscita può portare il modulo in zona di funzionamento non lineare (saturazione), dove non è più valido il modello per piccolo segnale. E invece possibile inserire un carico (tale da mantenere il modulo in linearità condizione verificabile osservando il segnale con un oscilloscopio), e misurare la variazione tra tensione a vuoto e tensione con il carico. Anche qui si tratta di calcolare una delle resistenze di un partitore, date le tensioni e l altra resistenza. Nella basetta di prova l interruttore S7 permette di inserire o disinserire il carico R5. J2 S7 R2 12k R1 100k Ru J8 R5 2,2k Lezione A6, slide 38, 39

4 Misura della posizione di un polo Per determinare la posizione dei poli che limitano la banda passante conviene portarsi nella zona di guadagno massimo (banda passante), impostare il livello di segnale a un valore tale da ottenere sull oscilloscopio una traccia che sfrutta tutta o quasi l ampiezza (verticale) dello schermo, e variare la frequenza fino a quando l ampiezza misurata in uscita cala di 3 db (rapporto 0,707). 3 (db) 0 10 ω P 0, (rad/s) ω Avvertenze Verificare che il circuito operi in linearità, e non intervengano saturazione o distorsione da slew rate. Per garantire questa condizione conviene operare con livello di segnale molto basso, e verificare che variando l ampiezza di ingresso l ampiezza di uscita vari in modo corrispondente. Per osservare l ampiezza piccopicco di un segnale sull oscilloscopio può essere comodo non sincronizzare la base tempi sul segnale stesso. Sullo schermo compare una fascia continua, la cui ampiezza corrisponde al piccopicco del segnale. Deve comunque essere verificata (a segnale sincronizzato) l assenza di distorsioni. Per una misura più precisa di frequenza e ampiezza usare frequenzimetro e multimetro, mantenendo sempre collegato l oscilloscopio per una verifica qualitativa. Lezione A6, slide 51

5 Misura della resistenza di ingresso Per misurare la resistenza di ingresso R si inserisce una resistenza in serie 1 al generatore (per eseguire una V misura più precisa, la resistenza 1 V 2 esterna è preferibile abbia un valore dello stesso ordine di grandezza rispetto al valore stimato per la resistenza di ingresso). R i La resistenza forma un partitore con la resistenza di ingresso Ri del modulo; del partitore una resistenza è nota (quella inserita volutamente, in questo caso R3), l altra è incognita. Da misure della tensione prima e dopo la resistenza (quindi all ingresso e all uscita del partitore), è possibile determinare il valore della resistenza incognita Ri. S3 V S J3 J4 R3 4,7k V I Ri J7 R2 12k R1 100k Nella basetta di prova l interruttore S3 permette di inserire o escludere la resistenza serie R3; è così possibile eseguire le due misure sempre sul morsetto J4. Lezione A6, slide 34, 35

6 Misura della risposta al gradino Applicare un segnale ad onda quadra di ampiezza tale da mantenere il circuito in linearità. Dato che l onda quadra non permette di osservare direttamente la presenza di saturazione, per verificare che il circuito sta lavorando in linearità, variare l ampiezza della tensione di ingresso e verificare che vari di conseguenza l ampiezza della tensione di uscita. Scegliere la frequenza dell onda quadra e impostare la scala dei tempi dell oscilloscopio in modo da osservare agevolmente l esponenziale di tipo passa basso (presente su tempi brevi, immediatamente dopo il gradino), e quello di tipo passaalto (presente su tempi più lunghi). Data la forte differenza delle due costanti di tempo, devono essere usate scale differenti. Inserire C3 (chiudere S1; mantenere S4 chiuso e S2 chiuso) : verificare la variazione della risposta all onda quadra Con segnale sinusoidale, verificare che C3 introduce un limite superiore di banda Inserire C4 (aprire S2; mantenere S4 chiuso e S1 aperto): verificare la variazione della risposta all onda quadra Con segnale sinusoidale, verificare l influenza di C4 sulla risposta in frequenza Inserire C5 (aprire S4; mantenere S2 chiuso e S1 aperto): verificare la variazione della risposta all onda quadra Per misurare la costante di tempo t si possono sfruttare due caratteristiche dell esponenziale: La tangente nell origine interseca l asintoto per t = t (questa tecnica permette solo una valutazione di massima, con forte errore) L esponenziale ha una variazione pari al 63% dell escursione totale quando t = t (caratteristica che permette una misura più precisa). Lezione A6, slide 53, 54

7 Misura della risposta in frequenza Utilizzare il J3 modulo A31 Gli interruttori permettono di configurare il circuito come amplificatore DC o come amplificatore AC con variazioni di guadagno e di banda. V S S4 C5 100 nf J7 VI J5 R4 10k J6 LM358 S2 R1 100k S6 R2 12k S1 C4 100 nf C3 10nF J8 J2 Tabella interruttori Questa esperienza: S4 aperto S2 chiuso S1 chiuso S1 S2 S3 S4 S5 S6 = C3 (10nF) non inserito 2 chiuso = C3 inserito = C4 (100 nf) inserito 2 chiuso = C4 cortocircuitato 2 chiuso = C5 (10 nf) inserito 2 chiuso = C5 cortocircuitato 2 chiuso Determinare a quale frequenza la risposta dell amplificatore cala di 3 db. (cioè la posizione del polo verso le frequenze alte mantenere il segnale in uscita a livello basso, tale da non causare distorsione visibile). Lezione A6, slide 43, 44, 55, 56

8 Domande di riepilogo Quanti cavetti occorrono per collegare l alimentazione di un circuito che richiede tensioni di 12V, 10V e 5V? Come si misura il guadagno di un amplificatore? Come si può misurare una resistenza di ingresso? Come si può misurare una resistenza di uscita? Come si può misurare la banda passante di un amplificatore? Quale tensione è presente sul morsetto di ingresso invertente di un amplificatore operazionale utilizzato come amplificatore di tensione invertente (un solo ingresso)? E nel caso di una configurazione non invertente? In quali condizioni la tensione presente sull ingresso invertente di un amplificatore operazionale è nulla? Un amplificatore noninvertente ha guadagno 100 ed è alimentato a ± 12 V. Quale è la forma d onda in uscita per ingresso triangolare di 50 mv di picco? E per 200 mv di picco? Quale è l effetto della distorsione da slew rate su un segnale a onda quadra? Lezione A6, slide 83

9 Dinamica di uscita Il data sheet (TIL81) indica la dinamica di uscita in funzione del carico E in funzione delle tensioni di alimentazione Lezione A6, slide 76, 77

10 Circuito per amplificatore noninvertente Utilizzare il modulo A31, e configurarlo come indicato nella tabella interruttori. S3 J3 V S R3 4,7k J7 J4 V I R2 12k R1 100k J8 J2 S7 R5 2,2k Tabella interruttori (1 = aperto 2 = chiuso; gli interruttori non utilizzati in questa misura sono indicati in posizione fissa) S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 2 chiuso 1 R3=4.7k inserita 2 R3 cortocircuitata 2 chiuso 1 R5 non inserita 2 R5=2.2k inserita Lezione A6, slide 26, 27

11 Saturazione statica e dinamica Utilizzare il modulo A32, come per le misure su circuito invertente J9 V I J14 R9 22k J10 J12 R10 100k ua741 R8 10k J13 J11 Applicare all'ingresso un segnale triangolare di 2 Vpp, periodo 3ms. Aumentare l'ampiezza del segnale di ingresso fino a ottenere evidente distorsione (tosatura o clipping) nel segnale di uscita (circa 5 Vpp). Verificare il comportamento della tensione sul morsetto invertente (tensione differenziale d ingresso) quando l'uscita presenta distorsione. Verificare il comportamento della tensione sul morsetto invertente, in condizioni di saturazione dell uscita, al variare delle tensioni di alimentazione (variare ciascuna alimentazione entro un campo di 2V). Verificare l effetto del carico sulla dinamica di uscita. Lezione A6, slide 68