Elettronica Applicata L-A Esercitazioni: Amplificatore Operazionale; bipoli S e N
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Elettronica Applicata L-A
Esercitazioni: Amplificatore Operazionale; bipoli S e N
Programma di oggi: AMPLIF. OPERAZIONALE (OpAmp):
Modello ideale Modello SPICE Circuiti con OpAmp Esempi di simulazione
BIPOLI S e N Con OpAmp Simulazioni
OpAmp IDEALE
1) Rileva la differenza, la moltiplica per A;
2) Non assorbe corrente in ingresso: iin=0, iout=0;
3) Il terminale di uscita si comporta come quello di un gen. di tensione ideale: cioè la tens. v0 è indipendente dalla corrente fornita alla impedenza di carico
0)3
)2
)()1 120
u
i
R
R
vvAv
0v
2v
1v
A
OpAmp IDEALE: circ. EQUIVALENTE
OpAmp risponde solo al segnale differenza, ignora ogni segnale comune ai due ingr. (reiezione del modo comune)
A rimane costante su tutte le freq(larghezza di banda infinita)
A guadagno differenziale o guad. ad anello aperto
0v2v
1v )( 12 vvA
generatore comandato: la tens. dipende da altri morsetti
Proprietà di A
molto grande, idealmente infinito; cosa me ne faccio di un’uscita infinita? risposta: in QUASI tutte le applicazioni, l’OpAmp
non viene usato in anello aperto, ma viene chiuso in retroazione così facendo, la grandezza caratteristica dell’OpAmp
diventerà il guadagno ad anello chiuso, che si potrà calcolare molto facilmente proprio grazie all’ipotesi che A sia infinito
Config. non invertente
R2 fra uscita e term invertente (segno “-”) retroazione NEGATIVA
R2 chiude l’anello attorno all’OpAmp vi ingresso vo uscita
1R
2R
iv
0v
Cortocircuito Virtuale guadagno ad anello chiuso:
supp che il circuito funzioni, cioè ho un’uscita v0 FINITA; nell’hp OpAmp ideale,
cioè, poiché A prossimo all’infinito, v1 molto prossima a v2 (cortocircuito virtuale fra i term. d’ingr.)
non è un cc fisico: significa che qualunque tensione è presente su v2, lo sarà automaticam. anche su v1
0)( 012120
A
vvvvvAv
A
iv
vG 0
Guadagno ad anello chiuso
grazie al cc virtuale, la tensione su R1 è vi
la corrente che scorre in R1 non scorre dentro l’OpAmp, poiché Ri=0, e quindi è la stessa che scorre su R2
ii v
R
Rv
RR
v
R
v
1
20
21
0
1
1 GR
R
v
v
i
1
20 1
1R
2R
iv0v
iv
Confronto fra A e G A dipende da parametri interni all’OpAmp
non si riesce a impostare con precisione, perché dipende da molti parametri non controllabili
G dipende solo dal rapporto di componenti passivi esterni posso rendere l’amplificaz ad anello chiuso PRECISA quanto
voglio, scegliendo le R con adeguata precisione G è idealmente indipendente da A
Riepilogo: partiti da OpAmp con guadagno a.a. molto elevato applicato una retroazione negativa ottenuto un guadagno G a.c. minore di A ma stabile e
calcolabile a priori (meno guadagno, più precisione)
Modello dell’OpAmp
Un OpAmp per funzionare deve assorbire potenza due morsetti, VUMP VUMM, che identificano anche le
tensioni max e min che si possono avere in uscita Il funzionamento lineare considerato finora
risulterà limitato ad un intervallo
dAVVVAV )( 120
0V2V
1V
UMPV
UMMV
A
Caratteristica statica
3 regioni di funzionamento:
AVVV
AVVAV
AVVV
V
UMPdUMP
UMPdd
UMPdUMP ,
0
sat. positiva
sat. negativa
alto guadagno (HG)
UMMUMP VV
12 VVVd
0V
UMPV
UMMV
Circuito equiv. ai piccoli segnali in regione di HG (quello di prima)
nelle due regioni di saturazione
vsat non dipende da vd
NEG,
POS,
UMP
UMPsat V
Vv
0vdv
dAv
0vdv
satv
Modello dell’OpAmp con SPICE non ci sono modelli già creati
si utilizza il comando SUBCKT
Modello 0 (ideale) .SUBCKT OPAMP INP INM OUT PARAMS:+VUMP=10 VUMM=-10 AD=400k
E1 OUT 0 +VALUE={max(min(AD*V(INP,INM),VUMP),VUMM}
.ENDS
Modello dell’OpAmp con SPICE II ho definito un sottocircuito che ha un gen. di
tensione comandato da un’espressione che dà tutti i possibili valori di V0 in funzione di Vd
tutte e 3 le regioni di funzionamento
INP
INM
OUT
E1
ES 1: OpAmp ad anello aperto
Vogliamo simulare: caratteristica statica risposta in transitorio a una SIN in ingresso analisi AC in 2 diversi punti di riposo
VIN RLOAD
12
0 (massa)
ES 1: OpAmp ad anello apertooperazionale ad anello APERTO: opamp ideale.SUBCKT OPAMP INP INM OUT PARAMS: VUMP=10 VUMM=-10
AD=400kE1 OUT 0 VALUE={MAX(MIN(AD*V(INP,INM),VUMP),VUMM)}.ENDS
VIN 1 0 DC 0 AC 1 SIN (0 3u 50 0 0 0)XAMP 1 0 3 OPAMP PARAMS: AD=500kRLOAD 3 0 1k.OP.TRAN 10u 60m 0 1u.DC LIN VIN -1.5 1.5 10m.AC DEC 100 1 100k.PROBE V(1) V(3).END
Stimoli Transitori SIN (<Voff> <Vamp> <f> <Td> <Df> <Finiz)
Oss: Df=0 per ottenere una sinusoide Es: SIN (0 3u 50 0 0 0)
fd DTtdoff eFITtfVampVV )( 3602sin
ES 1: variazioni
Domande:
Che risultato darebbe l’analisi AC se il gen. VIN avesse un valore DC uguale a 1?
Che risultato nell’analisi TRAN, se progressivam. aumento l’ampiezza della sinusoide in ingresso?(oss. che il valore DC non influenza la .TRAN, che invece considera la Voff del SIN)
provo i valori 24u, 24m
Variazioni: risposte
1) Il punto di riposo si è spostato su una retta a guadagno = 0 l’analisi AC dà 0 su tutto l’asse delle frequenze
2) Aumentando l’ampiezza della sin in ingresso: finchè AVd è <= 10V, e dunque Vd<=20uV, ad una sin in
ingresso corrisponde una sin in uscita, cioè vale l’approssimazione lineare di piccoli segnali;
per Vd>20uV, i segnali non sono più abbastanza piccoli=> onda quadra
ES 2: OpAmp ad anello chiuso
(configurazione non invertente) Vogliamo simulare:
caratteristica statica; fenomeno del cortocircuito virtuale.
1R
2R
iv
0v
ES 2: OpAmp ad anello chiusooperazionale ad anello CHIUSO: opamp ideale.SUBCKT OPAMP INP INM OUT PARAMS: VUMP=10 VUMM=-10
AD=400kE1 OUT 0 VALUE={MAX(MIN(AD*V(INP,INM),VUMP),VUMM)}.ENDS
VIN 2 0 DC 0 AC 1 SIN (0 3u 50 0 0 0)XAMP 2 1 3 OPAMP PARAMS: AD=500R1 1 0 100R2 3 1 10k.TRAN 10u 20m 0 1u .DC LIN VIN -1.5 1.5 10m.AC DEC 100 1 1k.PROBE V(1) V(3).END
ES 2: variazioniDomanda:
Cosa succede se abbassiamo il guadagno ad anello aperto, Ad? Provo Ad=500
Risposta: Mi aspetto che G si allontani dal valore ideale, poiché
aumenta la sua dipendenza da A:tanto più A è grande, tanto più G è indipendente da A, e più prossimo a
1
21 RR
Modello dell’OpAmp II
**************************************************** OPAMP MACRO MODEL, SINGLE-POLE
.SUBCKT OPAMP1 1 2 6* Input ImpedanceRIN 1 2 10MEG* DC Gain=100K and Pole1=100HZ* Unity Gain = DC Gain X Pole1 = 10MHZEGAIN 3 0 1 2 100KRP1 3 4 1KCP1 4 0 1.5915UF* Output Buffer and ResistanceEBUFFER 5 0 4 0 1ROUT 5 6 10.ENDS***************************************************
un modello più realistico tiene in considerazione: Rin, Rout, banda limitata
Bipolo S Un bipolo S è un particolare tipo di bipolo NL, che ha
una caratteristica così fatta:
la res. differenziale è negativa in un intervallo di valori dove cambia la pendenza si ha:
rs = 1 / pendenza = 0
OSS: V=V(I) è una funzione, mentre I=I(V) non lo è
V
I
Bipolo S con OpAmp
Per ricavare la caratteristica statica: devo far variare I
inserisco un generatore di corrente
SV
I
V
I
I
2
1
0
3
R1
R2
R3
Xamp
ES 3: Bipolo S con OpAmp
bipolo S con opamp.SUBCKT OPAMP INP INM OUT PARAMS: VUMP=10 VUMM=-10+AD=400KE1 OUT 0 VALUE={MAX(MIN(AD*V(INP,INM),VUMP),VUMM)}.ENDS
R1 1 0 500R2 1 2 500R3 3 0 1kXAMP 3 1 2 OPAMP PARAMS: AD=500kIIN 2 3 DC 0.DC LIN IIN -20m 20m 100u.PROBE V(3,2).END