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