Simulazione di amplificatori

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Stesura preliminare

In questa pagina vedremo come utilizzare SIMetrix/SIMPLIS Elements per analizzare il comportamento di un amplificatore realizzato con un amplificatore operazionale.

Prove analoghe possono essere fatte anche utilizzando componenti fisici.

Breve introduzione

L'amplificatore operazionale (OpAmp o anche AO) è un elemento che permette di realizzare facilmente amplificatori. In genere sono usati per amplificare piccoli segnali e per frequenze basse, ma esistono eccezioni, anche significative.

Di seguito alcuni aspetti di cui tener conto e che dipendono dal componente utilizzato:

Alimentazione: Per poter funzionare un amplificatore operazionale deve essere alimentato da una tensione continua, in genere compresa tra qualche volt e qualche decina di volt, a seconda del modello usato (nota 1). La tensione di uscita e, a volte, quelle di ingresso non possono andare sotto la massa (nota 6) né sopra l'alimentazione positiva; a volte neppure avvicinarsi. Amplificatori che possono avere tensioni molto vicine alle alimentazioni vengono detti rail-to-rail.
Correnti: Le correnti in ingresso sono generalmente trascurabili. La corrente in uscita può essere positiva o negativa (cioè uscire o... entrare dall'uscita); deve essere tipicamente inferiore ad una decina di millesimi di ampere.
Banda: Il guadagno di un amplificatore realizzato con un amplificatore operazionale è in genere costante dalla continua fino ad una frequenza non particolarmente elevata che dipende dall'amplificatore operazionale usato e dalla scelta dei componenti esterni, in particolare dal guadagno.

Amplificatore non invertente

Una delle configurazioni più utilizzate è il cosiddetto amplificatore non invertente. Lo schema è il seguente:

Il componente utilizzato (MCP6V91) è uno dei tanti amplificatori operazionali presenti sul mercato. Potrebbe essere utile consultare i fogli tecnici (da trovare con un motore di ricerca) anche se la maggior parte delle caratteristiche non sono di facile comprensione. Qui una guida alla lettura.

Il guadagno di tensione non dipende, in prima approssimazione, dal modello di amplificatore operazionale utilizzato, ma dal valore di R1 ed R2, secondo la formula:

G_V = 1 + R1 / R2

Di seguito come potrebbero apparire ingresso (verde) ed uscita (rosso) nel dominio del tempo.

I due segnali hanno la stessa forma (assenza di distorsioni visibili) e l'uscita è, in questo esempio, circa 10 volte più grande dell'ingresso.

Se i segnali sono sostanzialmente diversi da quanto mostrato occorre verificare che:

La frequenza del segnale di ingresso sia sufficientemente bassa (nell'esempio: 1 kHz)
L'ampiezza e l'offset della tensione di ingresso siano tali che tensioni di ingresso ed uscita siano sempre comprese tra massa e alimentazione

Attività 1

Dopo aver disegnato il circuito ed impostato il generatore per avere un'uscita priva di distorsione, come sopra mostrato:

Visualizzare ingresso ed uscita nel dominio del tempo; misurare il guadagno e verificare la sua corrispondenza con la formula. Si consiglia di visualizzare 10/20 periodi e l'uso della misura automatica del valore efficace
Visualizzare lo spettro del segnale di uscita. Si consiglia di impostare la Fourier Voltage Probe come mostrato di seguito ed eventuale aumentare il tempo di simulazione (nota 4):

Fourier voltage probe

Attività 2

Aumentare l'ampiezza e/o l'offset del segnale di ingresso fino a mostrare un'evidente distorsione armonica (nota 7).

Visualizzare e descrivere il segnale nel dominio del tempo
Visualizzare e descrivere il segnale nel dominio della frequenza, simile a quello dell'immagine di apertura

Attività 3

Aumentando la frequenza del segnale di ingresso; oltre un certo limite il guadagno diminuisce in modo significativo. Qui un approfondimento

Aumentare la frequenza del segnale di ingresso fino ad osservare questo comportamento in modo significativo
Usare la simulazione AC
Quale è la banda dell'amplificatore?

Avanzato - Attività 4

Usare in ingresso un segnale ad onda quadra. Motivare il funzionamento dell'amplificatore in base alle conclusioni dell'attività 3

Avanzato - Attività 5

Aumentare il guadagno dell'amplificatore e ripetere l'attività 3

Amplificatore invertente

La particolarità dell'amplificatore invertente è quella di avere il guadagno con segno negativo, da cui il nome (nota 2).

Di seguito lo schema (nota 3):

Amplificatore invertente

Anche in questo caso il guadagno dipende, in prima approssimazione, solo dal valore di R1 ed R2:

G_V = - R2 / R1

Attenzione al fatto che la tensione di uscita non può essere inferiore a 0 V (nota 6).

Attività 6

Effettuare quanto descritto nelle precedenti attività 1, 2, 3, 4, 5

Amplificatore per strumentazione

Un amplificatore per strumentazione è usato quando occorre amplificare una piccola tensione ai capi di un componente non collegato a massa. Il guadagno viene impostato attraverso una o due resistenze e spesso alla tensione di uscita è possibile sommare una costante.

Analizziamo il seguente circuito attraverso la modalità transient. Il suo compito è quello di amplificare la tensione ai capi di R4.

Amplificatore per strumentazione

Attività 7

Le correnti di ingresso ai pin VIP e VIM sono trascurabili. Quanto vale la tensione ai capi di R4? (nota 5)
Il guadagno è dato da G_V = 1 + R1 / R2. Quando vale VOUT? Verificare la formula modificando i valori di R1 ed R2.
Quale è l'effetto di applicare a VREF una tensione continua?

Un lavoro di sintesi

Spesso amplificatori operazionali e per strumentazione sono utilizzati per condizionare l'uscita di un trasduttore di una grandezza fisica. Un trasduttore produce in uscita una tensione (spesso piccola), una corrente o una resistenza proporzionale ad una grandezza fisica quale temperatura, luminosità o PH. Compito del circuito di condizionamento è adattare tale grandezza all'ingresso di un convertitore analogico digitale (ADC) che spesso accetta una tensione di ingresso compresa tra 0 V e 2 V, o qualcosa di simile.

Avanzato - Attività 8

Leggere la nota applicativa AAN990 - Analog Sensor Conditioning Circuits - An Overview di Microchip che illustra una vasta gamma di esempi.

Note

Alcuni modelli, soprattutto quelli più vecchi oppure quelli ad alte prestazioni, richiedono un'alimentazione duale, cioè due alimentazioni uguali in modulo, una positiva ed una negativa. Qui un approfondimento
Il guadagno in decibel ovviamente è comunque positivo. Perché?
Nel simbolo semplificato dall'amplificatore operazionale sono omesse la alimentazioni che devono ovviamente essere presenti nel circuito simulato o reale
Se si utilizza una rappresentazione della tensione di uscita nel dominio delle frequenza su grafico semilogaritmico è quasi sempre visibile una distorsione non lineare, anche quando piccola
Ci si potrebbe chiedere se possiamo trascurare la corrente in ingresso in VIP e VIM. Sui fogli tecnici è in genere indicata con il termine Input bias current
L'alternativa è quella di usare un'alimentazione duale
E possibile che si manifestino errori di convergenza; osservare l'output della finestra Command Shell.

Pagina creata nell'ottobre 2020
Ultima modifica: 24 gennaio 2023