Laboratorio di Progettazione Elettronica Esercitazione 1

Esercizio 1: Progettare un amplificatore operazionale in configurazione

invertente come rappresentato in Figura 1. Utilizzare l’ampificatore

operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137.

Figura 1: amplificatore in configurazione invertente

Traccia di soluzione:

a) Scaricare dal sito del costruttore il modello Pspice dell’amplificatore e il relativo datasheet

URL: http://www.ti.com/product/opa2137/description?keyMatch=opa2137&tisearch=Search-EN-

Everything

Figura 2

Modello Pspice da scaricare

Figura 3

Decomprimere la cartella scaricata con il modello Pspice (cartella sbjm005.zip), la cartella dovrebbe

essere salvata nella cartella in cui ci sono le diverse librerie:

C:\Cadence\SPB_16.6\tools\capture\library\. Se non è possible accedere (nel vostro caso perchè

non avete i privilege di amministratore) salvarla semplicemente in una vostra cartella sul desktop.

Creare un nuovo progetto, come descritto nel tutorial sull’utilizzo di PSpice, e aggiungere alle

librerie utilizzate anche al libreria che contiene il componente scaricato: OPA2137.olb (cercatela

ovviamente tramite browse nella cartella in cui l’avete salvata).

b) Leggere il datasheet scaricato e trovare le informazioni indicate in tabella

Parametro Valore

Guadagno di anello aperto A0

Frequenza di guadagno unitario (GBW)

Impedenza di ingresso (Zin)

Tensione di alimentazione utilizzabile (Vs)

Slew Rate (SR)

A partire da questi valori calcolare la frequenza a 3dB dell’amplificatore ad anello aperto.

Considerando che:

e che:

c) Disegnare lo schematico relativo a un amplificatore operazionale invertente, dovreste ottenere il

circuito di Figura 4. Utilizzate un’alimentazione dual supply Vs= e un ingresso sinusoidale con

frequenza pari a 100Hz e ampiezza pari a 1mV. Dimensionare le resistenze in modo tale che

l’amplificatore abbia un guadagno di 1000 V/V.

Datasheet del componente

Figura 4

d) Per poter procedere alla simulazione è necessario caricare la libreria relativa al componente

OPA2137 anche nell’ambiente di simulazione. Per far ciò aprire la finestra Simulation settings da

PSpice->Edit simulation profile. Come raffigurato in Figura 5, selezionare il tab Configuration Files,

la Category Library nel menu a sinistra segnato in rosso e tramite il tasto Browse cercare la libreria

relativa al componente: OPA2137.lib (la troverete nella cartella che avete salvato al punto a)

cliccare su Add as Global, confermare con OK. Se il programma non vi consente di fare Add as

Global, selezionate Add to Design.

Figura 5

e) Simulare il circuito in transitorio, scegliere opportunamente il periodo di simulazione in modo tale

da visualizzare 20 periodi della sinusoide. Plottare ingresso e uscita per verificare che il guadagno

sia quello atteso. Di quanto sono sfasati il segnale di ingresso e quello di uscita? (il grafico che

dovreste ottenere è riportato in Figura 6)

Figura 6

f) Simulare il circuito in AC il grafico che dovreste ottenere è riportato in Figura 7. Qual è la banda a

3dB? Che relazione ha rispetto alla frequenza di taglio dell’amplificatore ad anello aperto calcolata

al punto b?

Figura 7

g) Modificare le alimentazioni del circuito in modo da renderle single supply. La tensione di

alimentazione negativa dovrà quindi essere a massa, mentre per la VS scegliete un valore Vs=10 V.

A questo punto non potendo più gestire le tensioni negative, è necessario che il segnale di ingresso

sinusoidale oscilli non più tra -5 V e 5 V ma tra 0 e 10 V, (le tensioni negative non possono più

essere amplificate utilizzando un’alimentazione single supply, in quanto la tensione più bassa

possibile è pari a 0) è quindi necessario aggiungere una componente continua alla sinusoide di

ingresso pari a 5 V. In sostanza il comportamento del circuito non varia rispetto al caso precedente,

semplicemente TUTTE le tensioni sono spostate di +5 V, quindi quella che prima era -5 V diventerà

la nostra massa, quella che prima era massa sarà pari a 5 V (che chiameremo anche tensione di

riferimento o MASSA DEL SEGNALE) e quella che era 5 V sarà ora pari a 10 V. Per modificare la

componente continua della sinusoide impostare sulle proprietà del generatore VSIN il campo

Voff=5 V. Lo stesso discorso vale per la tensione di riferimento da dare sul morsetto non invertente:

anche in questo caso il riferimento per il segnale non è più 0 V ma 5 V (cioè appunto la “massa per il

segnale”)

h) Simulare il nuovo circuito in transitorio, il comportamento atteso è quello di Figura 8, calcolare il

guadagno del SEGNALE (non considerare quindi la componente continua). Come si può notare il

comportamento è perfettamente analogo a quello ottenuto con il primo circuito in Figura 6, a

meno del fatto che tutti i grafici sono traslati di +5V.

Figura 8

i) Effettuare un’analisi in AC del circuito con l’alimentazione single supply. Cambia rispetto al caso in

cui si è utilizzata un’alimentazione dual supply?

Esercizio 2: Progettare un amplificatore operazionale in configurazione

non invertente come rappresentato in Figura 1. Utilizzare l’ampificatore

operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137.

Figura 9

a) Disegnare lo schematico relativo a un amplificatore operazionale invertente, dovreste ottenere il

circuito di Figura 10. Utilizzate un’alimentazione dual supply Vs= e un ingresso sinusoidale con

frequenza pari a 100Hz e ampiezza pari a 1mV. Dimensionare le resistenze in modo tale che

l’amplificatore abbia un guadagno di 1000 V/V.

Figura 10

b) Simulare il circuito in transitorio, scegliere opportunamente il periodo di simulazione in modo tale

da visualizzare 20 periodi della sinusoide. Plottare ingresso e uscita per verificare che il guadagno

sia quello atteso, confrontare il grafico ottenuto con quello di Figura 6, cosa cambia?

c) Simulare il circuito in AC e confrontare il grafico ottenuto con quello dell’amplificatore invertente di

Figura 7

d) Modificare le alimentazioni del circuito in modo da renderle single supply. Valgono tutte le

considerazioni viste nell’esercizio 1.

e) Simulare in transitorio il nuovo circuito e calcolare il guadagno.

f) Simulare in transitorio lo stesso circuito con un segnale di ingresso sinusoidale di ampiezza pari

20mV, cosa succede all’uscita? Perché non è quella che ci si aspetterebbe?

Esercizio 3: Progettare un amplificatore operazionale in configurazione

invertente (Figura 1), utilizzando l’amplificatore operazionale

commerciale della Texas Instruments OPA2137. a) Dimensionare le resistenze per avere un guadagno pari a 120dB, utilizzare un’alimentazione dual

supply .

b) Simulare il circuito in AC per verificare il comportamento del circuito. Il guadagno desiderato è

stato raggiunto? Perché?

c) Per raggiungere le specifiche desiderate è necessario utilizzare due stadi in cascata come

rappresentato in Figura 11

Figura 11

È necessario introdurre la capacità di disaccoppiamento C1 perché, come specificato nel datasheet,

il componente ha una tensione di offset dell’ordine dei mV, e tale tensione sarebbe amplificata dal

secondo stadio causando possibili problemi di saturazione verso le alimentazioni (come

nell’esercizio 2-f). Disegnare lo schematico proposto in Figura 11 e dimensionare i componenti (R1,

R2, R3, R4 e C1) in modo che:

Il guadagno di 120 dB sia distribuito equamente tra i due stadi (60dB per ogni stadio)

La frequenza di taglio del passa alto introdotta da C1-R4 sia pari a circa 1Hz

d) Simulare il circuito in AC per verificare che la risposta in frequenza sia quella desiderata

e) Simulare il circuito in transitorio scegliendo un’ampiezza del segnale di ingresso tale da non fare

saturare le uscite (le alimentazioni sono sempre ). Plottare i segnali vin, vout e out2 e

verificare che le ampiezze siano coerenti con quanto atteso.

Esercizio 4: Progettare un inseguitore di tensione (Figura 12) utilizzando

l’amplificatore operazionale commerciale della Texas Instruments

OPA2137, utilizzate un’alimentazione dual supply

Figura 12

a) Disegnare lo schematico e simulare il circuito in AC. Quant’è il guadagno?

1 stadio 2 stadio CAP

b) Simulare il circuito in transitorio usando come ingresso un generatore a gradino utilizzando i

seguenti parametri:

Parametro Valore

PER (periodo) 101ms

PW (durata dell’impulso) 100m

TD (ritardo iniziale) 1m

TF (tempo di discesa) 5u

TR (tempo di salita) 5u

V1 (tensione iniziale) -3

V2 (tensione finale) 3

c) Plottare la tensione di ingresso e la tensione di uscita, fare uno zoom sul gradino e osservare la

pendenza della curva di ingresso e della curva di uscita. Come sono tra loro? Calcolare la pendenza

della curva.

d) Ripetere la simulazione utilizzando i seguenti parametri:

Parametro Valore

PER (periodo) 101ms

PW (durata dell’impulso) 100m

TD (ritardo iniziale) 1m

TF (tempo di discesa) 1u

TR (tempo di salita) 1u

V1 (tensione iniziale) -3

V2 (tensione finale) 3

e) Plottare nuovamente la tensione di ingresso e la tensione di uscita, fare uno zoom sul gradino e

osservare la pendenza della curva di ingresso e della curva di uscita. Adesso come sono tra loro?

Calcolate la pendenza della curva relativa al segnale di uscita. A quale parametro estratto dal

datasheet è assimilabile tale valore?

V1

TD TR TF

PW

PER

V2

Esercizio 5: Progettare un amplificatore per strumentazione (Figura 13)

utilizzando l’amplificatore operazionale commerciale della Texas

Instruments OPA2137, utilizzate un’alimentazione dual supply

Figura 13

a) Tenendo conto della relazione ingresso-uscita:

Dimensionare il circuito utilizzando per R1 R2 e R3 un valore pari a 10kΩ e scegliere Rgain in modo

tale da avere guadagni, in valore assoluto, pari a 2, 6, 10, 20 V/V.

b) Simulare il circuito in AC con i diversi valori di Rgain per verificare che effettivamente il guadagno

sia quello desiderato.