Laboratorio: OpAmp

Ampolificatore invertente

In fase di sviluppo Stesura preliminare In fase di sviluppo

In questa pagina analizzeremo un semplice amplificatore per piccoli segnali realizzato intorno ad un amplificatore operazionale.

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 operazionale effettivamente utilizzato:

Il circuito

L'amplificatore da realizzare è costituito da un amplificatore operazionale e da alcune resistenze. Sono inoltre presenti due generatori di tensione: l'alimentazione Vcc, sempre continua, ed un segnale di ingresso, per esempio sinusoidale.

Amplificatore non invertente

Questo amplificatore è un amplificatore non invertente. Il nome indica che la tensione di uscita (Vout) è maggiore di quella di ingresso (Vin) e che ha lo stesso segno. Si può dimostrare che il guadagno di tensione dipende solo (o quasi) dal valore di R1 e R2, secondo la formula:

 G = Vout / Vin = 1 + R1 / R2

Alcune note sulla scelta delle resistenze e dei generatori:

Le misure

Di seguito come devono apparire sullo schermo di un oscilloscopio i segnali di ingresso (blu) e di uscita (rosso) in un circuito correttamente realizzato (nota 5):

G=11

La prima verifica da fare è accertare l'assenza di distorsioni evidenti nel segnale di uscita: se l'ingresso è una sinusoide, anche l'uscita lo deve essere!

Se l'uscita appare distorta o addirittura assente, occorre verificare:

Il guadagno

Ovviamente la misura fondamentale è il guadagno di tensione, che deve coincidere a meno degli errori di misura e delle tolleranze dei componenti, con quanto previsto dalla formula.

Se siamo interessati al solo segnale sinusoidale di ingresso, conviene misurare la AC-RMS, cioè la tensione efficace della sola componente alternata, come mostrato in figura. Il guadagno misurato è G = 780 / 71 = 10.99 (20.8 dB) nel caso mostrato (utilizzando la formula avrebbe dovuto essere 11).

Distorsione di ampiezza

La distorsione di ampiezza si misura modificando la frequenza (nota 4) del segnale di ingresso. Le varie misure si riportano su un grafico semilogaritmico che mostra come cambia il guadagno di tensione al variare della frequenza; da questo grafico può essere ricavata la massima frequenza di funzionamento corretto dell'amplificatore, cioè la sua banda. Non servono molte misure: l'amplificatore mostrato si comporta infatti in modo simile ad un filtro passa-basso del primo ordine.

Qui un approfondimento teorico.

Distorsione armonica: THD

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.

Segnale distorto nel dominio del tempo

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

La prima immagine è relativa ad uno spettro su scala logaritmica: sono visibili la fondamentale (frequenza coincidente con quella del segnale di ingresso, 1 kHz in questo esempio) e numerose linee a frequenza multipla intera. Si nota anche il rumore che appare come un insieme casuale di linee spettrali con ampiezza mediamente costante nella parte bassa del grafico.

Normalmente non viene utilizzata una scala lineare perché le linee spettrali oltre la fondamentale sono estremamente piccole.

La distorsione armonica può essere misurata attraverso la THD (distorsione armonica totale). La THD è definita dalla formula:

THD

Dove V1 è la tensione della fondamentale espressa in volt (non in dBV!); 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.

Spesso la THD è espressa in percentuale, moltiplicando per 100 il valore sopra ottenuto.

Per la misura dell'ampiezza delle linee spettrali è possibile usare i cursori, come mostrato nella figura seguente relativa alla fondamentale ed alle prime due armoniche. Per utilizzare la formula è necessario trasformare le ampiezza espresse qui sotto in unità logaritmiche in unità lineari.

Nel caso in esame la distorsione armonica è circa del 6%, piuttosto elevata: in molti casi, la distorsione deve essere inferiore all'1% (0.01) per essere considerata accettabile.

Non è sempre agevole la misura manuale della THD+N con il solo oscilloscopio, anche se molti oscilloscopi digitali hanno la misura diretta ed automatica di questa grandezza.

Distorsione armonica: SFDR

Seguendo la procedura già utilizzata per la misura della THD possiamo misurare anche SFDR, pari in questo caso a circa 29 dBc.

Anche per questa misura è spesso disponibile l'apposita funzione automatica.

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 rispettano questo vincolo
  4. Purtroppo la nomenclatura non aiuta...
  5. Se il segnale di ingresso è particolarmente piccolo potrebbe essere utile introdurre tecniche per aumentare la risoluzione dell'oscilloscopio oppure ridurre digitalmente la banda


Pagina creata nel novembre 2020
Ultima modifica: 9 gennaio 2023


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