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Alimentazioni: terminali di input massa – nodo comune terminale di output Lamplificatore operazionale.

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Presentazione sul tema: "Alimentazioni: terminali di input massa – nodo comune terminale di output Lamplificatore operazionale."— Transcript della presentazione:

1 Alimentazioni: terminali di input massa – nodo comune terminale di output Lamplificatore operazionale

2 Lamplificatore operazionale ideale Lamplificatore è sensibile alla differenza v 2 – v 1 : Terminale 1: terminale invertente (-) Terminale 2: terminale non invertente (+) Applichiamo 2 tensioni agli input 1 e 2

3 Impedenza di input infinita Le correnti che entrano nei terminali di input sono nulle V o output prodotta da un generatore ideale indipendentemente dal carico Impedenza di output nulla

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5 Risposta in frequenza piatta Guadagno A (guadagno differenziale o a loop aperto) Ma se A= quanto vale il segnale di output??? Non può essere impiegato da solo! E necessario inserire lamplificatore in un circuito tale che v 2 -v 1 = 0

6 Il guadagno di loop chiuso è La configurazione invertente

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10 Essendo A=, V 2 -V 1 = V out /A 0 Poichè limpedenza di input è infinita, si ha I 1 = I 2 Quindi I 2 =I 1 =V in /R 1 e Vout = -I 2 R 2 = -V in R 2 /R 1 Riassunto dellanalisi del circuito

11 Guadagno G = - R 2 /R 1 Impedenza di input Z in = V in /I 1 = R 1 Impedenza di output Z out = 0 Z in =R 1 -R 2 /R 1 V in Circuito equivalente Resistenza di input e di output

12 Effetti del guadagno finito Supponiamo che A sia grande ma finito

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16 Consideriamo la configurazione invertente con R 1 =1 K, R 2 =100 K. Troviamo il guadagno di loop-chiuso per i casi A=10 3, 10 4, 10 5 e determiniamo lerrore percentuale di G rispetto al valore ideale. Esempio

17 Abbiamo i 1 (t) = v in (t)/R 1. Quindi Il circuito fornisce una tensione di output proporzionale allintegrale dellinput. Lintegratore invertente

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24 Abbiamo |V out /V in | = 1/ RC = +90 o Comportamento di un filtro passa-basso con (0dB)=1/RC. A dc il guadagno è infinito! (il circuito è aperto) Nel dominio della frequenza abbiamo Lintegratore invertente – risposta in frequenza grafico di Bode

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26 Tuttavia lintegratore non è più ideale e si comporta come un filtro passa-basso Soluzione al problema della saturazione R 2 chiude il loop a dc fornendo un guadagno dc –R 2 /R 1

27 Somma pesata di tensioni

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29 Applicazione: digital to analog converter (DAC) Esempio a 4 bit

30 V out =-I in R Z in =0 Z out =0 Convertitore corrente-tensione

31 Abbiamo sempre V + =V - e le correnti entranti negli input sono nulle a causa dellimpedenza infinita Lamplificatore non invertente

32 I parametri della configurazione invertente sono dunque Circuito equivalente Effetto del guadagno finito Resistenza di input e di output

33 Configurazione di amplificatore non invertente con R 1 = e R 2 =0. Quindi Limpedenza di input è infinita mentre quella di output nulla. Questo amplificatore è quindi impiegato come adattatore di impedenza Voltage follower

34 comportamento tipo passa-basso Per >> 3b si ha dove il guadagno decresce di 20 dB per decade 3dB frequenza a cui il guadagno è 1 (0 dB) Lamplificatore reale: risposta in frequenza unity-gain bandwidth

35 dove Il guadagno dellamplificatore invertente è Sostituendotroviamo Es.: f t =1 MHz guadagno nominale = 1000 f 3dB =1 kHz Esempio: amplificatore invertente

36 Il massimo rate con cui può variare il segnale di output è Slew rate

37 Consideriamo un segnale sinusoidale Il rate max di cambiamento del segnale è Full power band width: frequenza oltre cui il segnale di output massimo comincia a presentare distorsione a causa dello slew-rate Es. posto SR =1V/ s V out,max =10 V f M =16 kHz Output teorico output di un op-amp Limitato dallo slew-rate Full power band width

38 Come effetto dei mismatch degli stadi differenziali di input esiste una tensione di offset V OS anche se gli input sono collegati a massa Questo offset appare nelloutput amplificato Il valore di V OS dipende dalla tecnologia: per BJT per BJFET e CMOS Op-amp reale Op-amp senza offset Tensione di offset

39 2 soluzioni: 1)input addizionali per sottrarre loffset 2) accoppiamento ac. A dc il condensatore apre il Circuito e V os non è amplificata (follower a guadagno unitario)

40 Collegando a massa gli input, si osservano delle correnti assorbite ed erogate. Circuito equivalente La corrente I + B -I - B =I OS è detta corrente di offset. Tecnologia BJT: I B 100 nA I OS 10 nA Tecnologia JFET, CMOS: pA Corrente di bias

41 Assumiamo che I B1 =I B2 =I B Se I B1 =I B +I OS /2, I B1 =I B -I OS /2 Soluzione : Inseriamo una resistenza nellinput non invertente Avremo che V O =0 se (R vista dallinput) limite sul valore di R 2

42 In generale e possiamo scrivere Abbiamo Lamplificatore operazionale reale

43 Lamplificatore operazionale reale - 2 Definiamo Il rapporto è detto rapporto di reiezione del modo comune (common mode rejection ratio) Se lamplificatiore è ideale CMRR= (A + =A - ) Lamplificatore ideale amplifica solo la tensione di modo differenziale

44 Lamplificatore operazionale reale - 3 Il CMRR è un parametro importante per valutare la bontà di un amplificatore - tanto più grande è il CMRR tanto più viene amplificata solo la differenza V + -V - e non anche la tensione di modo comune - Valori tipici del CMMR variano da 80 dB (10 4 ) a 120 dB (10 6 ) e variano considerevolmente con la frequenza Il guadagno di modo differenziale (A + +A - )/2 non è infinito (come nellamplificatore ideale) ma assume valori dello stesso ordine di grandezza del CMMR e varia fortemente con la frequenza

45 Impedenze di ingresso e uscita Limpedenza dingresso del modo differenziale è la resistenza vista fra i due input Limpedenza dingresso del modo comune è la resistenza vista fra un input e i punti al potenziale di riferimento Le impedenze di ingresso di un amplificatore reale sono grandi ma non infinite. Hanno valori simili e possono essere schematizzate col circuito equivalente Limpedenza di uscita tipica ad anello aperto è Diminuisce chiudendo lanello (vede in parallelo limpedenza del ramo di retroazione)

46 Dinamica di ingresso e uscita Dipende dalla tensione di alimentazione I valori tipici sono compresi nei 10 V di picco, con correnti di uscita di alcune decine di mA Esistono amplificatori per alte tensioni, con dinamica dellordine di centinaia di volt

47 Prodotto banda-guadagno GBW-1 G = 1 guadagno 0 dB Questo si ha alla frequenza f t, che è detta anche gain-bandwidth product. parametro con spread limitato quotato nel data-sheet Esempio: supponiamo che G=1 per f t =1 MHz.

48 Prodotto banda-guadagno GBW-2 Supponiamo di voler aver un guadagno di almeno 50 dB Poichè il guadagno ha pendenza 20 dB/decade, 50 dB sono 1.5 decadi e quindi la banda richiesta è 5 kHz

49 Amplificatori ac-coupled In un amplificatore ac-coupled la resistenza dc vista dallinput è R 2. Quindi R 3 =R 2 Inoltre in ogni input si deve fornire un percorso dc verso massa

50 Settling-time Se a un amplificatore reale viene applicato un segnale a gradino Luscita assume un andamento oscillatorio smorzato Il settling time è il tempo necessario affinchè loutput rientri In una fascia assegnata E attorno al valore finale E 0

51 Amplificatore differenziale - 1 Analizziamo il seguente amplificatore attraverso il principio di sovrapposizione Se v 2 =0 Se v 1 =0

52 Amplificatore differenziale - 2 Vogliamo che vengano amplificate solo differenze. Quindi richiediamo che V O =0 quando v 1 =v 2. Questo ci dà La resistenza di input è definita come Poichè

53 Amplificatore strumentale - 1 Vogliamo un amplificatore con una resistenza di input maggiore e con la possibilità di poter regolare il guadagno. Un circuito molto superiore è il seguente

54 Amplificatore strumentale - 2 v 1 e v 2 appaiono attraverso R 1, per cui Lamplificatore A 3 amplifica V O2 -V O1

55 Amplificatore strumentale - 2 Poichè lo stadio di input è formato da due op-amp in configurazione non invertente, la resistenza di input è infinita. Potremmo inoltre introdurre una regolazione sul guadagno attraverso un potenziomentro posto in serie con R 1


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