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 che varranno in seguito analizzati 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 andare molto vicini 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 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 dal modello di amplificatore operazionale utilizzato, ma, in prima approssimazione, solo dal valore di R1 ed R2:

G_V = 1 + R1 / R2

Quanto vale il guadagno di tensione con i valori di R1 ed R2 mostrati?
Quanto vale il guadagno di tensione in dB?

Di seguito ingresso ed uscita nel dominio del tempo.

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 a V2

Aspetti da esaminare:

Apparentemente nel grafico qui mostrato non sono presenti distorsioni; verificare in particolare la distorsione armonica dell'uscita, sia nel dominio del tempo che della frequenza
Cosa succede al segnale d'uscita aumentando la tensione di ingresso? Utilizzare sia il dominio del tempo che quello delle frequenza (nota 4)
Cosa succede al guadagno aumentando la frequenza del segnale di ingresso? Quale è la banda dell'amplificatore? Utile la simulazione AC. Qui un approfondimento
Cosa succede se l'ingresso è un segnale ad onda quadra, soprattutto se ha frequenza relativamente elevata?

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

Simulare un amplificatore invertente, seguendo gli stessi passi percorsi con l'amplificatore non invertente.

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

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

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.

Leggere la nota applicativa AN990 - 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

Pagina creata nell'ottobre 2020
Ultima modifica: 8 novembre 2021