Esercitazione di laboratorio n.2

 

 

Oggetto: Amplificatore invertente con amplificatore operazionale.

 

Scopo: Risposta in frequenza.

 

Schema elettrico:

Fig.1. - Amplificatore invertente.

 

 

Elenco componenti: Ampl. Oper. LM741; Resistenza R1=2.2KΩ; Resistenza R2=10KΩ.

 

Apparecchi generatori: Alimentatore duale ±15V, generatore di tensione sinusoidale.

 

Apparecchi misuratori: Multimetro per verificare il valore della tensione di alimentazione, oscilloscopio a doppia traccia per visualizzare le forme d’onda della tensione di ingresso e di uscita e per misurare le rispettive frequenze ed ampiezze.

 

Valori di alcune grandezze dell’amplificatore operazione reale (µA741) utilizzato:

A_VOL = 200.000 (Guadagno di tensione differenziale a loop aperto);

SR = 0.5V/µs (Velocità di risposta al gradino);

f_a = 6Hz (frequenza di taglio cioè quella in corrispondenza della quale A_VOL si riduce di -3dB);

f_T = 1MHz (frequenza di transizione cioè quella in corrispondenza della quale si ha A_VOL=1).

 

Fig.2. – Risposta in frequenza del guadagno a loop aperto AVOL dell’ amplificatore operazionale LM741.

 

Formule:

La frequenza di taglio dell’amplificatore invertente vale:

ft = fT/|Av| = 1.000.000/4.545 = 220KHz

Per evitare fenomeni di distorsione in uscita a causa dello Slew Rate SR il massimo valore di uscita deve rispettare la formula:

 

Se non voglio deformazioni in uscita fino alla frequenza di 100KHz, la tensione di uscita dovrà essere inferiore a 800mV circa e quindi l’ingresso dovrà essere inferiore a 200mV (400mV picco-picco).

 

Misure da effettuare:

Fissare, preliminarmente, l’ampiezza del segnale di ingresso v_i al valore picco-picco 400mV.

1) Impostare la frequenza valore f=1KHz. Controllare col canale 1 dell’oscilloscopio.

2) Col canale 2, invece, rilevare l’ampiezza picco picco del segnale di uscita inserendo il valore misurato nella seguente tabella.

3) Ripetere i passi 1) e 2), senza variare l’ampiezza, portando la frequenza del segnale di ingresso ai valori 3, 10, 30, 100, 200, 300, 400, 500, 1000 KHz.

 

Tabella da compilare:

 

 

 

Per ritardo t intendiamo l’intervallo di tempo tra il picco positivo di vi e quello positivo di vo.

Per calcolare lo sfasamento φ in gradi tra ingresso ed uscita applico la seguente relazione:

 

φ = 360 · f · t

 

 

Fig.3. – Onde di ingresso (rossa) e di uscita (nera) alla frequenza di 100KHz.

 

 

 

Grafici da realizzare:

Utilizzando un foglio di carta millimetrata, rappresentare graficamente l’andamento del guadagno di tensione espresso in dB e lo sfasamento espresso in gradi in funzione della frequenza.

L’asse delle frequenze dovrà essere in scala logaritmica.

 

 

Fig.4. – Risposta in frequenza del modulo espresso in dB.

Il valore del modulo in bassa frequenza è di 13.15dB corrispondente a 4,54.

 

 

 

Fig.5. – Risposta in frequenza dello sfasamento espresso in gradi.

 

 

Misure finali:

Visualizzare sull’oscilloscopio l’effetto dello slew rate in uscita impostando il generatore sinusoidale  al valore di frequenza 100KHz ed ampiezza 2V.

Si nota, guardando la successiva figura, che l’uscita assume un andamento triangolare dovuto al limitato valore dello Slew-Rate: infatti con un’ampiezza di ingresso di 2V, l’uscita dovrebbe assumere un’ampiezza di circa 8V ( a 100KHz il guadagno dell’amplificatore è di circa -4, leggermente inferiore a quello di centro banda corrispondente a -4.54) in un intervallo di tempo di un quarto di periodo (10µs/4 = 2.5µs) ma, a causa dello SR pari a 0.5V/µs, dopo 2,5µs l’uscita raggiunge solamente il valore pari a: SR x 2.5µs = 1.25V (negativo perché l’amplificatore è invertente).

 

 

 

Fig.6. -  Visualizzazione degli effetti dovuti al limitato valore dello SR del 741: l’uscita assume la forma triangolare con pendenza pari, proprio, a 0.5V/µs coincidente con lo SR dell’operazionale. In tal modo l’uscita non ha alcuna opportunità di raggiungere il massimo valore teorico di 8V.