V. Ferrara
Dip. Ing. Elettronica Univ. La Sapienza Roma
LABORATORIO SPERIMENTALE
ESERCITAZIONE nr. 1 – ELETTRONICA I
Fig. 1: Vista dall’alto del circuito con OP μA741
Fig. 2: Schema del circuito
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Premesse
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L’alimentazione deve essere scelta |VCC|≤ 18V (si consigliano ±12V).
Le connessioni per l’alimentazione vanno fatte prima di accendere l’alimentatore,
preventivamente tarato.
I collegamenti effettuati con i ponticelli (in seguito chiamati jumper) possono essere
effettuati con alimentazione e segnale inseriti.
Porre tutti i jumper nello stato OFF (connessione disattivata).
Fig. 3: Posizioni per lo stato ON e OFF dei ponticelli (jumper)
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L’uscita dallo strumento da banco “generatore di funzioni” viene prelevata con un
connettore a T da cui partono due cavi coassiali (RG58) con terminazioni a bnc: uno viene
collegato all’ingresso dello stadio (SOURCE1), l’altro al canale CH1 dell’oscilloscopio.
Settare il CH1 dell’oscilloscopio alla voce “attenuazione Sonda “ X1
Settare il CH2 a cui sarà collegata la sonda: “attenuazione Sonda” X10
Esperienza n. 1: Misura della tensione di offset VOS
Preliminarmente si esamini la tensione di offset che l’operazionale manifesta in uscita.
La misura della tensione di offset in ingresso dovrebbe essere eseguita utilizzando la configurazione
“inseguitore di tensione” di Fig. 4, che però non è permessa dalla scheda in dotazione.
Fig. 4: Inseguitore di tensione (non realizzabile dalla scheda in dotazione)
Se fosse stata permessa tale configurazione la tensione d’uscita sarebbe coincisa con la tensione di
offset in ingresso VOS.
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La scheda consente di realizzare la configurazione “inseguitore di tensione” non canonica di Fig. 5,
dove tra ingresso invertente e uscita Vo è presente la resistenza R2 da 220 kΩ.
Fig. 5: Inseguitore di tensione realizzabile dalla scheda in dotazione
Questa configurazione è realizzabile con tutti i jumper nello stato OFF e operazionale alimentato.
E’ evidente che la tensione d’uscita Vo differisce dalla tensione di offset in ingresso Vos per la
presenza della corrente di polarizzazione IB1:
Vo = VOS + I B1 R2
Si può eseguire una misura indiretta della Vos procedendo nel modo seguente.
Preventivamente attivare il tasto “Measure” dell’oscilloscopio e predisporre la misura del “valor
medio” della tensione del canale 2 (CH2).
Agendo sul trimmer Tr1 si annulli, o almeno si renda minima la tensione di uscita, misurando con la
sonda (probe) dell’oscilloscopio il segnale su TP5:
Vo min = VOS + I B1 R2
Ovviamente, nel caso ideale di Vomin=0 si ottiene VOS=-IB1R2.
Quindi si modifichi il circuito inserendo la resistenza R1 e realizzando così la configurazione di
Fig. 6. In particolare si dovrà: inserire il cavo coassiale RG58 mediante il BNC, collegato al
generatore di funzioni (che sarà però spento), e porre nello stato ON i jumper JP2 e JP4.
Con questo set up la resistenza R1 è collegata a massa mediante la terminazione a 50 Ω del BNC
(SOURCE1). Ciò significa che rispetto al disegno di Fig. 6 c’è una resistenza di 50 Ω in serie alla
resistenza R1.
Senza modificare la posizione del trimmer, la tensione d’uscita cambia valore (verificare
sull’oscilloscopio) risultando pari a:
⎛ R ⎞
⎛
R2 ⎞
⎟⎟ + I B1 R2 ≅ VOS ⎜⎜1 + 2 ⎟⎟ + I B1 R2
Vo = VOS ⎜⎜1 +
R1 ⎠
⎝
⎝ 50 + R1 ⎠
Poiché non è stato modificato il set up del trimmer, IB1 può essere considerata invariata e la tensione
misurata fornisce indirettamente l’informazione della tensione di off set :
⎛ R ⎞
R
R
Vo = VOS ⎜⎜1 + 2 ⎟⎟ − VOS + Vo min = VOS 2 + Vo min ≈ VOS 2
R1 ⎠
R1
R1
⎝
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R1
(Vo − Vo min ) ≈ R1 Vo
R2
R2
Dal punto di vista delle misure successive ciò che si vuole è che, nella configurazione invertente, in
assenza di segnale la tensione d’uscita deve essere nulla.
Quindi, dopo aver verificato l’entità della tensione di offset VOS, sempre con i jumper JP2 e JP4,
nello stato ON, occorre regolare il trimmer è ridurre quanto possibile a ≈0 la tensione d’uscita.
VOS =
Fig. 6: Circuito che amplifica in uscita il valore di Vos
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Esperienza n. 2: Configurazione invertente
Con il generatore di funzioni si selezioni un segnale sinusoidale di ampiezza VM≈1 V e frequenza
≈1 KHz. Poi lo si inserisca nel circuito con un cavo schermato (RG58 50Ω) e BNC alla posizione
SOURCE1. Il resto delle connessioni è identico a quello mostrato in fig. 7.
Fig.7: Connessioni fisiche del circuito per la configurazione invertente di maggior
guadagno. I jumper evidenziati in figura devono essere commutati nello stato
ON.
•
Controllare l’eventuale presenza di una componente in continua del segnale in ingresso che
verrà ovviamente amplificata dall’operazionale.
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Si rilevino le due diverse amplificazioni invertenti realizzate prima con l’inserimento della
resistenza R1 (JP4) e poi con quello della resistenza R2 (JP3).
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Variando l’ampiezza del segnale di ingresso, verificare i limiti di saturazione in uscita (si
utilizzino in questo caso segnali di tensione di ampiezza picco-picco pari a circa 2V) .
•
Con un segnale triangolare di periodo ≈10 ms, tracciare sull’oscilloscopio la caratteristica di
trasferimento ingresso-uscita, evidenziando la zona di amplificazione lineare (diversa per le due
connessioni a R1 e R3) e le saturazioni dei livelli d’uscita.
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Variando la frequenza del segnale d’ingresso, verificare la diminuzione del guadagno a
frequenze elevate. Individuare la frequenza fβH osservando, all’aumentare della frequenza del
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segnale, la riduzione del guadagno di 3dB,. Notare la dipendenza della posizione della stessa
frequenza di taglio dall’amplificazione a bassa frequenza (|-R2/R1|).
fT
f βH =
R
1+ 2
R1
•
Utilizzare il test dell’onda quadra per valutare la frequenza di taglio a –3dB superiore. Nel caso
sia connessa la resistenza R1 (amplificazione di maggior guadagno) si consiglia un segnale di
ingresso con tensione picco-picco di 0.13 V e periodo 50μs (20kHz). Si tratta di eseguire la
0.35
misura del tempo di salita e di legarla alla frequenza di taglio dalla relazione t r =
, valida
f βH
per i circuiti STC.
Esperienza n. 3: Slew rate
Con le precedenti connessioni si proceda alla misura dello slew rate. Le tensioni di ingresso
possono essere onde quadre di ampiezza più elevate delle precedenti (1÷2V picco-picco).
Si utilizzino prima onde quadre e poi segnali sinusoidali, verificando in quest’ultimo caso come si
riesca a non incorrere nella limitazione dello slew rate agendo o sulla frequenza o in alternativa
sull’ampiezza del segnale. Si dovrebbe riscontrare che, mantenendo l’ampiezza picco-picco del
segnale sinusoidale di ingresso a ≈1.4V, già a ≈60 kHz è manifesta la limitazione SR.
Esperienza n. 4: Condensatori di blocco e di shunt
Modificare le connessioni per inserire i condensatori di blocco (prima separatamente e poi
eventualmente insieme) C2 (JP1), C3 (JP7, JP10), C4 (JP8, JP11).
Si inizi con l’inserire C2 e si verifichi ancora la riduzione del guadagno ma questa volta al diminuire
della frequenza. L’individuazione della frequenza di taglio a –3dB inferiore può essere fatta con il
test dell’onda quadra, per es. un’onda quadra 1V picco-picco e 1kHz di fondamentale. Misurando il
sag è possibile risalire alla frequenza di taglio dalla relazione:
P = π f βL T
(valida al solito nel caso a STC) con T pari al periodo dell’onda quadra.
Eventualmente verificare che tale formula è valida anche con la contemporanea inserzione dei
condensatori C2 e C4 (presenza di un polo dominante). Ma che non è valida con la contemporanea
presenza di C2 e C3. Prelevare in questo caso l’uscita ai capi di R5 sul test-point TP7.
Fare un’analoga indagine degli effetti di C5 sulla fβH. L’uscita è in questo caso preferibile prenderla
ai capi della resistenza R6. Per tale analisi occorre porre ON i jumper: JP1 (JP2), JP4 (JP3), JP9 e
controllare il segnale in TP6.
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Fig. 8 : Connessioni fisiche e schema circuitale per esaminare gli effetti di C2 sulla fβL
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Fig.9: Connessioni fisiche e schema circuitale per esaminare gli effetti di C3 sulla fβL
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Esperienza n. 5: Integratore, filtro passa basso
In parallelo alla resistenza R2 viene messo il condensatore C1 per ottenere un circuito integratore.
L’accoppiamento del segnale è diretto (senza condensatore di blocco) mentre è arbitraria la scelta di
R1 o R3, dettata solo dall’entità dell’amplificazione che si desidera ottenere (jumper JP2, JP4 (JP3),
JP6)
Fig.10: Connessioni fisiche e schema circuitale per esaminare il circuito integratore
Utilizzare vari tipi di segnale: onda quadra (per es. 2 V picco-picco e periodo 0.5ms), triangolare,
sinusoidale, per visualizzare in uscita la sua corrispondente integrazione (rampa, parabola, coseno).
Verificare che l’operazione di integrazione viene meno al diminuire della frequenza (aumento del
periodo) del segnale di ingresso. Ciò per l’esistenza di una frequenza fβH pari a:
1
f βH =
2πC1R 2
A circa 70 Hz, nel caso dell’onda quadra suggerita, si evidenziano andamenti esponenziali invece di
tratti di retta.
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Esperienza n. 6: Sommatore
Utilizzando due generatori di funzione indipendenti, inserire come SOURCE1 un’onda quadra di
periodo T1 ≈ 0.2 ms e ampiezza picco-picco di circa 1.5 V, mentre come SOURCE2 un’onda
sinusoidale di frequenza 1 kHz ampiezza V2 ≈ 0.2 V. Sono da utilizzare le connessioni: JP2, JP3 e
JP5. L’uscita è sempre in TP5.
Si può così verificare che il segnale in uscita è la somma dei due segnali, amplificati ciascuno in
modo diverso per via della differenza in valore tra R1 e R3. Molto probabilmente “agganciando” il
segnale SOURCE1 si vedrà (sull’oscilloscopio) l’altro scorrere. Ciò dipende dal fatto che i due
segnali non hanno periodi di ripetizione perfettamente multipli fra loro. Per avere un’immagine
fissa sull’oscilloscopio occorre agire sulla frequenza di SOURCE2 o più convenientemente occorre
utilizzare la funzione Run/stop dello stesso oscilloscopio.
Fig.11: Connessioni fisiche e schema circuitale per esaminare il circuito sommatore
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