Esercitazione del 28 ottobre 2014 Gruppo

Dipartimento di Matematica & Fisica Corso di Laurea in Fisica Esperimentazioni di Fisica III a.a. 2014‐2015 Esercitazione del 28 ottobre 2014 “Semplici applicazioni dell’Amplificatore Operazionale” Gruppo …………… Composizione del Gruppo STUDENTE:……………………………………………………………………………………………………………………………………………. STUDENTE: ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Note: 1 Per l’esperienza si utilizzeranno:  amplificatore operazionale uA 741  amplificatore operazionale TL081  resistenze: 470 Ω, 1000 Ω ; 4.7 k Ω, 10 kΩ ; ……. Il valore delle resistenze va scelto in modo da avere amplificazione di circa Av = 5‐6, Av (circa 15 dB), Av = 20‐21 (circa 26 dB). Ricordare che per l’amplificatore invertente l’amplificazione è: R1/RF Ricordare che per l’amplificatore non‐invertente l’amplificazione è: 1+(R1/RF)  alimentatore duale ±15V oppure ±12V  generatore di funzioni  oscilloscopio a doppia traccia  breadboard, con zoccolo a 8 pin, già posizionato 2 Esercitazione di Laboratorio: Semplici applicazioni dell’amplificatore operazionale L’esperienza consiste nel costruire alcuni semplicissimi circuiti che fanno uso dell’amplificatore operazionale verificandone il funzionamento e misurandone i parametri fondamentali. a) Montare il uA741 e il TL081 nella configurazione “amplificatore invertente”
b) Montare il uA741 e il TL081 nella configurazione “amplificatore non-invertente”
c) Montare il uA741 e il TL 081 nella configurazione “Buffer” Nota: Entrambi gli operazionali hanno la stessa piedinatura mostra in questa figura. 3 MONTAGGIO DEI CIRCUITI Si parte dalla Breadboard dove è già posizionato, per semplificare il montaggio, lo zoccolo porta integrato. Considerando la piedinatura dell’amplificatore operazionale, entrambi quelli che verranno utilizzati hanno la medesima piedinatura, si effettuano i collegamenti e si posizionano le resistenze così da realizzare la configurazione invertente (è conveniente partire da questa configurazione). Terminata la fase di montaggio, simile a quella mostrata nell’immagine sopra, prima di qualsiasi altra operazione, controllare con il multimetro la continuità elettrica dei collegamenti effettuati. Successivamente collegare i cavi di alimentazione e massa. Per facilitare l’inserimento del segnale di imput e del segnale di output, sono stati predisposti dei particolari cavetti (vedi figura sotto). Successivamente, inserire nello zoccolo l’integrato uA 741. 4 5 Per l’alimentazione del circuito bisogna utilizzare un’alimentazione duale (±15V oppure ±12V). Questa alimentazione, a seconda del banco dove viene fatta l’esperienza viene fornita da uno dei due seguenti alimentatori. 6 Prima di alimentare il circuito, controllare che l’alimentatore fornisca le corrette uscite. Ad alimentatore spento, collegare i cavi alla breadboard e solo successivamente accendere l’alimentatore. MISURA DELL’AMPLIFICAZIONE Fornendo in ingresso un’onda sinusoidale verificarne l’amplificazione. Ricordare che l’uscita dell’amplificatore satura un po’ prima della tensione di alimentazione; in altre parole, l’uscita deve essere sempre minore dell’alimentazione. A seconda del guadagno selezionato, la tensione di input deve essere tale da non portare l’amplificatore in saturazione. Prima di effettuare la misura dell’amplificazione, verificare che tale situazione sia verificata; se in ingresso vi è un’onda sinusoidale, in uscita deve esserci un’onda sinusoidale non distorta. Per il calcolo dell’amplificazione compilare la seguente tabella; si parta con un segnale d’ingresso con frequenza di circa 1 kHz e arrivare ad una frequenza di 1 MHz (i valori di frequenza presenti in tabella vanno considerati come “indicativi”). Ampiezza picco‐picco segnale d’uscita (Vout ) Frequenza Ampiezza picco‐picco del segnale segnale d’ingresso (Vin) d’ingresso uA741 Amplificazione Vout/Vin TL081 uA741 TL081 1 kHz 5 kHz 10 kHz 15 kHz 25 kHz 50 kHz 75 kHz 100 kHz 150 kHz 200 kHz 250 kHz 500 kHz 750 kHz 1MHz Compilata la tabella, tracciare il grafico ampiezza vs. frequenza. Effettuare questa determinazione per due amplificazioni (circa Av = 5 e Av = 15). Effettuare questa determinazione per i due amplificatori uA 741 e TL081. 7 Cenni sulla risposta in frequenza degli amplificatori Un amplificatore non si comporta allo stesso modo qualunque sia la frequenza del segnale in ingresso. Gli elementi reattivi (condensatori e induttori) presenti nei circuiti necessari a costruire l’amplificatore, provocano delle partizioni del segnale; partizioni variabili con la frequenza. Pertanto, il guadagno (ed anche lo sfasamento presente tra i segnali d’ingresso e di uscita) dipende dalla frequenza. I costruttori di amplificatori, per problemi di stabilità, realizzano gli amplificatori con una dipendenza della amplificazione dalla frequenza del tipo: A  f   A0 
1
1 j
f
f0
. L’equazione sopra corrispondente alla combinazione di un amplificatore ideale (amplificazione non dipendente dalla frequenza) in serie a una cella RC di tipo passa‐basso, con frequenza di taglio f 0  1  2RC  (si veda Figura sotto). Risposta in frequenza dell’amplificatore generico a. La curva grigia è l’amplificazione ad anello aperto A(f), espressa in dB; la curva tratteggiata e quella nera, sono le curve del guadagno [A(F)(f)] in funzione della frequenza. In alto a destra è riportato il circuito lineare equivalente dell’amplificatore; esso è composto da un amplificatore ideale con banda passante infinita, seguito da un filtro passa‐basso. Come già detto, disegnare, per i nostri due amplificatori, la risposta in frequenza per un guadagno di circa 15 dB e un guadagno di circa 26 dB. Concluse le misure sull’amplificatore in configurazione invertente, si passi ad analizzare l’amplificatore in configurazione non‐invertente. Per ottenere il circuito dell’amplificatore in configurazione non‐invertente, partendo da quello per l’amplificazione invertente, basta spostare la massa dove prima vi era l’ingresso e l’ingresso dove prima vi era la massa. 8 Con l’amplificatore in configurazione non‐invertente, si ripetono tutte le misure fatte con l’amplificatore in configurazione invertente. Ampiezza picco‐picco segnale d’uscita (Vout ) Frequenza Ampiezza picco‐picco del segnale segnale d’ingresso (Vin) d’ingresso uA741 Amplificazione Vout/Vin TL081 uA741 TL081 1 kHz 5 kHz 10 kHz 15 kHz 25 kHz 50 kHz 75 kHz 100 kHz 150 kHz 200 kHz 250 kHz 500 kHz 750 kHz 1MHz 9 Infine si monta il circuito in configurazione buffer. Questo circuito si ottiene, partendo dall’amplificatore in configurazione non invertente, togliendo la resistenza R1 e sostituendo la resistenza RF con un cortocircuito. Per la configurazione buffer, verificare che fornisce amplificazione unitaria. Anche con questa amplificazione (0 dB) ricavare la risposta in frequenza. Infine, per il buffer, misurare lo slew rate. MISURA DELLO SLEW RATE Lo slew rate esprime, la massima pendenza possibile per il segnale d’uscita (sia in salita che in discesa). I costruttori indicano lo slew‐rate (SR) unitario, cioè quando il guadagno vale 1. Impostate il generatore di funzione con in uscita un segnale rettangolare di ampiezza 1 VPP e frequenza 1 kHz. Impostate la base dei tempi dell'oscilloscopio su 500 ns/div. Sull’oscilloscopio si noterà anche, che il segnale di uscita non raggiunge subito il valore massimo, ma, come mostra la figura, impiega un certo tempo. 10 Mostrare, per entrambi gli operazionali (uA741 e TL081), le forme d’onda osservate sull’oscilloscopio. Lo slew rate è definito come: slew ratein salita 
vout @ 90%  vout @10%
tvout @ 90%  tvout @10%
; slew ratein discesa 
vout @10%  vout @ 90%
tvout @10%  tvout @ 90%
. In generale, lo slew rate è espresso come V/μs. 11 12 13

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