elettronica applicata l a esercitazioni amplificatore operazionale bipoli s e n n.
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Elettronica Applicata L-A Esercitazioni: Amplificatore Operazionale; bipoli S e N

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Elettronica Applicata L-A Esercitazioni: 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.

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Presentation Transcript
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
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
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 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
propriet di a
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
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
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
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
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
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
Caratteristica statica
  • 3 regioni di funzionamento:
  • sat. positiva
  • alto guadagno (HG)
  • sat. negativa
circuito equiv ai piccoli segnali
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
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
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
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
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
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
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 aperto1
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
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
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
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
ES 2: OpAmp ad anello chiuso
  • (configurazione non invertente)
  • Vogliamo simulare:
    • caratteristica statica;
    • fenomeno del cortocircuito virtuale.
es 2 opamp ad anello chiuso1
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
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
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
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
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
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
ES 3: variazione
  • Che risultato avrei ottenuto se avessi inserito un gen. di tensione anziché uno di corrente?
esercizio
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
Notizia
  • Venerdì non c’è lezione
    • buon fine settimana
ad