Elettronica Applicata L-A Esercitazioni: Amplificatore Operazionale; bipoli S e N

Elettronica Applicata L-AEsercitazioni: Amplificatore Operazionale; bipoli S e N Luca De Michele Bologna, 6/2/2008

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 • Rileva la differenza, la moltiplica per A; • Non assorbe corrente in ingresso: iin=0, iout=0; • 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

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) • Aguadagno differenziale o guad. ad anello aperto • 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

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

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

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 finorarisulterà limitato ad un intervallo

Caratteristica statica • 3 regioni di funzionamento: • sat. positiva • alto guadagno (HG) • sat. negativa

Circuito equiv. ai piccoli segnali • in regione di HG (quello di prima) • nelle due regioni di saturazione • vsatnon dipende da vd

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

Generatori Comandati • Generatore di tensione controllato in tensione • E<Nome> <n+> <n-> <nc+> <nc-> <Gain> • con V(n+,n-) = Gain*V(nc+,nc-) • E<Nome> <n+> <n-> VALUE={Espressione}

Generatori Comandati II • Generatore di corrente controllato in tensione • G<Nome> <n+> <n-> <nc+> <nc-> <Trans> • con I(n+,n-) = Trans*V(nc+,nc-) • G<Nome> <n+> <n-> VALUE={Espressione} • Generatore di tensione controllato in corrente • H<Nome> <n+> <n-> VNAM <Trans> • con V(n+,n-) = Gain*I(VNAM) • H<Nome> <n+> <n-> VALUE={Espressione} • Generatore di corrente controllato in corrente • F<Nome> <n+> <n-> VNAM <Gain> • con I(n+,n-) = Gain*I(VNAM) • F<Nome> <n+> <n-> VALUE={Espressione}

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 OUT INM E1

Comando SUBCKT .SUBCKT <Nome> <n1> … <nN> [PARAMS: +<Par1 = Def Val1> … <ParP = Def ValP>] … .ENDS • I nodi nell’intestazione e nel corpo sono locali (tranne 0) • Ogni nome ha carattere locale • Una volta definito il subckt, lo istanziamo così: • X<Nome Ist.> <N1> … <NN> <Nome Sub.> +[<Valore Parametri>] • Oss: N1, …, NN nodi globali; • Param con val. diverso da quello di default

ES 1: OpAmp ad anello aperto 1 • Vogliamo simulare: • caratteristica statica • risposta in transitorio a una SIN in ingresso • analisi AC in 2 diversi punti di riposo 2 RLOAD VIN 0 (massa)

ES 1: OpAmp ad anello aperto operazionale ad anello APERTO: opamp 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 VIN 1 0 DC 0 AC 1 SIN (0 3u 50 0 0 0) XAMP 1 0 3 OPAMP PARAMS: AD=500k RLOAD 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)

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 • Il punto di riposo si è spostato su una retta a guadagno = 0 • l’analisi AC dà 0 su tutto l’asse delle frequenze • 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.

ES 2: OpAmp ad anello chiuso operazionale ad anello CHIUSO: opamp 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 VIN 2 0 DC 0 AC 1 SIN (0 3u 50 0 0 0) XAMP 2 1 3 OPAMP PARAMS: AD=500 R1 1 0 100 R2 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: variazioni Domanda: 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

Modello dell’OpAmp II • un modello più realistico tiene in considerazione: • Rin, Rout, banda limitata *************************************************** * OPAMP MACRO MODEL, SINGLE-POLE .SUBCKT OPAMP1 1 2 6 * Input Impedance RIN 1 2 10MEG * DC Gain=100K and Pole1=100HZ * Unity Gain = DC Gain X Pole1 = 10MHZ EGAIN 3 0 1 2 100K RP1 3 4 1K CP1 4 0 1.5915UF * Output Buffer and Resistance EBUFFER 5 0 4 0 1 ROUT 5 6 10 .ENDS ***************************************************

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

Bipolo S con OpAmp • Per ricavare la caratteristica statica: • devo far variare I • inserisco un generatore di corrente S

ES 3: Bipolo S con OpAmp bipolo S con opamp .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 R1 1 0 500 R2 1 2 500 R3 3 0 1k XAMP 3 1 2 OPAMP PARAMS: AD=500k IIN 2 3 DC 0 .DC LIN IIN -20m 20m 100u .PROBE V(3,2) .END

ES 3: variazione • Che risultato avrei ottenuto se avessi inserito un gen. di tensione anziché uno di corrente?

ESERCIZIO esercizio .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 R1 1 0 500 R2 1 2 500 R4 3 2 1k XAMP 3 1 2 OPAMP PARAMS: AD=500k VIN 3 0 DC 0 .DC LIN VIN -20 20 10m .PROBE .END

Notizia • Venerdì non c’è lezione • buon fine settimana

Elettronica Applicata L-A Esercitazioni: Amplificatore Operazionale; bipoli S e N