Elettronica Applicata L-A Esercitazioni: Amplificatore Operazionale; bipoli S e N

Programma di oggi: AMPLIF. OPERAZIONALE (OpAmp): BIPOLI S e N Modello ideale Modello SPICE Circuiti con OpAmp Esempi di simulazione BIPOLI S e N Con OpAmp Simulazioni

OpAmp IDEALE Rileva la differenza, la moltiplica per A; Non assorbe corrente in ingresso: iin=0, iout=0; 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

OpAmp IDEALE: circ. EQUIVALENTE generatore comandato: la tens. dipende da altri morsetti 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

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

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

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

Confronto fra A e G Riepilogo: 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

Caratteristica statica 3 regioni di funzionamento: sat. positiva alto guadagno (HG) sat. negativa

Circuito equiv. ai piccoli segnali in regione di HG (quello di prima) nelle due regioni di saturazione vsat non dipende da vd

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 OUT INM E1

ES 1: OpAmp ad anello aperto 2 RLOAD VIN 0 (massa) Vogliamo simulare: caratteristica statica risposta in transitorio a una SIN in ingresso analisi AC in 2 diversi punti di riposo

ES 1: OpAmp ad anello aperto operazionale ad anello APERTO: opamp 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 VIN 1 0 DC 0 AC 1 SIN (0 3u 50 0 0 0) XAMP 1 0 3 OPAMP PARAMS: AD=500k RLOAD 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)

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 Il punto di riposo si è spostato su una retta a guadagno = 0 l’analisi AC dà 0 su tutto l’asse delle frequenze 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.

ES 2: OpAmp ad anello chiuso operazionale ad anello CHIUSO: opamp 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 VIN 2 0 DC 0 AC 1 SIN (0 3u 50 0 0 0) XAMP 2 1 3 OPAMP PARAMS: AD=500 R1 1 0 100 R2 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: variazioni Domanda: 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

Modello dell’OpAmp II un modello più realistico tiene in considerazione: Rin, Rout, banda limitata *************************************************** * OPAMP MACRO MODEL, SINGLE-POLE .SUBCKT OPAMP1 1 2 6 * Input Impedance RIN 1 2 10MEG * DC Gain=100K and Pole1=100HZ * Unity Gain = DC Gain X Pole1 = 10MHZ EGAIN 3 0 1 2 100K RP1 3 4 1K CP1 4 0 1.5915UF * Output Buffer and Resistance EBUFFER 5 0 4 0 1 ROUT 5 6 10 .ENDS

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

Bipolo S con OpAmp S Per ricavare la caratteristica statica: 1 3 Xamp S 2 R3 Per ricavare la caratteristica statica: devo far variare I inserisco un generatore di corrente

ES 3: Bipolo S con OpAmp bipolo S con opamp .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 R1 1 0 500 R2 1 2 500 R3 3 0 1k XAMP 3 1 2 OPAMP PARAMS: AD=500k IIN 2 3 DC 0 .DC LIN IIN -20m 20m 100u .PROBE V(3,2) .END