Laboratorio: OpAmp

Ampolificatore invertente

In fase di sviluppo Stesura preliminare In fase di sviluppo

In questa pagina analizzeremo un semplice amplificatore realizzato con un amplificatore operazionale, verificando l'operatività ed alcuni limiti.

Prima di procedere, consiglio di leggere, almeno a grandi linee, la parte introduttiva e quella relativa agli amplificatori non invertenti presenti in questa pagina.

I fogli tecnici

Preliminare alla realizzazione del circuito è l'individuazione dell'amplificatore operazionale da utilizzare. I criteri da esaminare ed i modelli presenti sul mercato sono un'infinità e non verranno qui discussi.

Spesso il criterio di scelta in ambito scolastico oppure hobbistico è banale: si prende un integrato tra quelli disponibili e si verifica se è adeguato allo scopo... Di seguito si farà riferimento a LM358, un operazionale doppio per usi generali con prestazioni tutt'altro che elevate, ma molto diffuso e, soprattutto, adeguato a funzionare con una singola alimentazione (nota 1).

Alcuni degli aspetti da esaminare sui fogli tecnici dell'amplificatore effettivamente utilizzato:

Il circuito

Il circuito da realizzare è il seguente:

SI tratta di un amplificatore non invertente con guadagno G = 1 + R1 / R2

Alcune note sulla scelta delle resistenze e dei generatori:

Le misure

Di seguito come devono apparire sullo schermo di un oscilloscopio il segnale di ingresso e di uscita in un circuito correttamente realizzato:

G=11

La prima osservazione da fare è verificare la presenza o meno di distorsioni evidenti, assenti nella figura precedente. Se l'uscita appare distorta, occorre verificare eventuali errori di montaggio del circuito e, soprattutto, la corretta impostazione di frequenza, ampiezza ed offset del generatore di segnali.

Verificare anche il comportamento qualitativo con un ingresso ad onda quadra o triangolare oppure modificando, con attenzione, frequenza, ampiezza e offset.

Il guadagno

Ovviamente la misura fondamentale è il guadagno, che deve coincidere a meno degli errori di misura e delle tolleranze dei componenti, con i calcoli teorici.

Misuriamo la AC-RMS (tensione efficace della sola componente alternata), come mostrato in figura. Il guadagno misurato, teoricamente pari ad 11 con i valori di resistenze utilizzati per questo esempio, è G = 780 / 71 = 10.99 (20.8 dB). Tale risultato è compatibile con il fatto che i resistori hanno tolleranza pari ad 1%.

In teoria, invece della tensione AC-RMS, si potrebbe usare una qualunque altra tensione, per esempio la DC-Average (tensione media) oppure la True-RMS (vero valore efficace) oppure una tensione istantanea misurata con i cursori. Tutte queste misure portano ad un piccolo errore la cui entità dipende dalla tensione di ingresso, dal guadagno e da un parametro chiamato tensione di offset (VOS) il cui valore cambia casualmente con il singolo esemplare di amplificatore operazionale (qui un approfondimento). Sui fogli tecnici di LM358 è indicato un valore tipico di ±2 mV. VOS è una tensione continua ed il suo contributo viene automaticamente eliminato nel calcolo che utilizza AC-RMS (consigliato) oppure Peak-to-Peak.

In alternativa è possibile impostare i canali dell'oscilloscopio in modalità AC invece che DC: in questo modo sono azzerate tutte le componenti continue, inclusi gli effetti della tensione di offset.

Distorsione di ampiezza

La distorsione di ampiezza si manifesta aumentando la frequenza del segnale di ingresso.

In genere si disegna su un grafico semilogaritmico come cambia il guadagno con la frequenza e da questo grafico può essere ricavata la massima frequenza di funzionamento dell'amplificatore priva da distorsione, cioè la sua banda. Non servono molte misure:

Qui un approfondimento.

Cosa succede se l'ingresso è un'onda quadra con frequenza pari a 50 kHz? Motivare la risposta.

Distorsione armonica

Partiamo dallo stesso segnale usato all'inizio di questa pagina ed aumentiamo moderatamente l'offset e/o l'ampiezza della sinusoide, fino ad avere un'evidente distorsione del segnale di uscita. Motivare questo comportamento in base ai fogli tecnici.

Visualizzare lo spettro del segnale di uscita e verificare che si tratta di una distorsione armonica.

L'immagine precedente mostra lo spettro su scala lineare anche se potrebbe essere opportuno usare una scala logaritmica (tensione espressa in dBm), soprattutto se la distorsione è piccola.

La distorsione armonica è misurata attraverso la THD (distorsione armonica totale), spesso espressa come percentuale; in molti casi, deve essere inferiore all'1% (0.01) per essere considerata trascurabile.

La THD è definita dalla formula:

THD

Dove V1 è la tensione della fondamentale espressa in volt; V2, V3... la tensione delle varie armoniche indesiderate, sempre espresse in volt; nella misura delle tensioni possono essere indifferentemente usate la tensione efficace o quella di picco, purché la scelta sia la stessa per tutte le armoniche. L'eventuale valor medio non appare nella formula.

Nel caso in esame la distorsione è circa del 20%, un'enormità!

Note

  1. In alternativa: LM324, operazionale quadruplo praticamente identico a LM358
  2. In genere è presente anche un paragrafo con alcune avvertenze (per esempio sul fogli tecnici di Texas Instruments: 9 Power Supply Recommendations)
  3. Tutte le figure ed i calcoli usati in questa pagina sono relativi ad un amplificatore con guadagno 11


Pagina creata nel novembre 2020. Ultima modifica: 23 novembre 2020


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