OpAmp reale->cause del discostamento dai valori teorici

[xyz]

Ho ritrovato un mio vecchio modello di un AO usato per il corso di Teoria dei Circuiti Elettronici (Prof. Claudio Beccari)

Codice: Seleziona tutto

Test modello amplificatore operazionale
*
VCC 4 0 15
VEE 5 0 -15
V1 1 2 DC 0 AC 1
X1 1 2 3 4 5 opamp
*
* modello amplificatore operazionale
*
*             ingresso non invertente
*             | ingresso invertente
*             | | uscita
*             | | | alimentazione positiva
*             | | | | alimentazione negativa
*             | | | | |           
.subckt opamp 1 2 3 4 5
RD  1 2 200MEG
RM1 1 0 100MEG
RM2 2 0 100MEG
G1  0 6 1 2 1
R1  6 0 1
C1  6 0 15.92m
BU  7 0 V=(V(4)-V(5))/2*tanh(1E5*2*V(6)/(V(4)-V(5)))
RU  7 3 75
.ends

.dc V1 -1m 1m .01m
.ac dec 10 .1 1G
.pz 1 0 3 0 vol pol

.plot dc v(3) vs v(1)
.plot ac db(v(3))
.print pz all

.end


Non è lineare visto che per simulare la saturazione viene usata la funzione tanh. E' presente un polo alla frequenza di 10 Hz simulato da una rete RC, amplificazione regime stazionario è di 10^5, prodotto banda-guadagno di 1 MHz.

Io usavo SPICE originale Berkeley compilato da me dai sorgenti originali per simulare i circuiti. Ho appena riprovato a simularlo con NG-SPICE ultima versione, funziona ancora senza problemi.

[DarwinNE]

Ho ritrovato un mio vecchio modello di un AO usato per il corso di Teoria dei Circuiti Elettronici (Prof. Claudio Beccari)

Oh, quanti ricordi

[xyz]

Oh, quanti ricordi

Per me anche lontani nel tempo

Risultato analisi PZ:

Codice: Seleziona tutto

test modello amplificatore operazionale
                    Pole-Zero Analysis  Wed Jul 28 12:50:57  2010
--------------------------------------------------------------------------------
Index   all                             
--------------------------------------------------------------------------------
0       -6.28141e+01,   0.000000e+00   

Allego i grafici delle simulazioni AC e DC.

[RenzoDF]

Vedo, con piacere, che il Prof. Beccari su EP ha un sacco di Allievi

@ xyz ---> in che anno ti sei laureato ?

[Lucast85]

Scusate, ma per ora preferisco andare avanti seguendo i consigli dell'assistente perché sarà lui che la correggerà. Non è che non mi fido di voi, anzi !!
Secondo voi i calcoli di Rin (Rid e Ricm), Ro ed Avol del modello semplificato che ho postato a pag.2 sono corretti ?
Grazie!

[DarwinNE]

Se non pensiamo all'obiettivo che devo raggiungere, i valori di Rin, Ro, e Avol(5kHz) dell'opamp si calcolano in quel modo

Per il tuo problema, purtroppo l'operazionale è utilizzato in regime non lineare, quindi non c'è nulla da fare: Isidoro ha ragione ed ha espresso bene le sue perplessità nel suo intervento.

Per quanto riguarda la misura dei parametri che ti stanno a cuore in regime lineare, non collegare mai i due ingressi dell'operazionale insieme: è garanzia di saturazione nella realtà ed anche in simulazione, se il modello è un minimo accettabile. Piuttosto, l'induttanza non collegarla a massa, ma fai una sorta di inseguitore, di modo che almeno l'offset in continua la controreazione fa il suo lavoro:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

[IsidoroKZ]

Secondo voi i calcoli di Rin (Rid e Ricm), Ro ed Avol del modello semplificato che ho postato a pag.2 sono corretti ?

I valori sono ragionevoli, ma il metodo di misura (sia simulata che nella realta`) non va. La ragione te l'ha detta DarwinNE: se non c'e` retroazione in continua l'operazionale satura malamente. Anche cortocircuitando i due ingressi si ottiene lo stesso effetto. Inoltre quando si misurano le correnti sugli ingressi ci sono anche le correnti continue di polarizzazione, oltre al segnale.

Mi sono fatto una lunga camminata fino alla biblioteca, cercando un libro su cui mi pareva ci fosse il metodo di misura, ma non c'era quello per i parametri difficili .

Provo a suggerire come si potrebbe fare per misurare i parametri che ti interessano. Quelli che seguono funzionano sia in simulazione con un buon modello, sia nella realta`. Cominciamo dal piu` semplice, il guadagno dell'operazionale a 5 kHz. Lo stesso metodo, cambiando un pochino i valori, funziona anche per la continua. Questo e` il circuito:

Misura guadagno

oa1.gif (19.73 KiB) Osservato 2710 volte

Si fa un amplificatore con guadagno -1, e si attenua di un fattore 101 il segnale che viene portato sull'ingresso invertente. In questo modo sul nodo Vm si ha una tensione che e` 101 volta piu` grande di V- ed e` piu` facile misurarla. Per il rapporto R3/R4 puo` salire anche fino a 1000 volte, se i guadagni da misurare sono elevati. In questo modo l'operazionale rimane ad anello chiuso e non satura.

Il rapporto Vu/Vm diviso per il rapporto di partizione R4/(R3+R4) da` il guadagno cercato.

Il risultato della simulazione e` in questa figura:

Risultato simulazione

opamp1out.gif (25.92 KiB) Osservato 2709 volte

Da notare che le forme d'onda sono sfasate fra di loro di un quarto di periodo: il guadagno e` del tipo -j*numero. Il valore del guadagno e` dato dal rapporto delle tensioni moltiplicato per 101 (rapporto di partizione resistivo), e da` 198 volte. Ovviamente viene "giusto" perche' ho preso un operazionale con un prodotto guadagno banda pari a 1MHz

Altra cosa da osservare sulle forme d'onda e` che non sono a valor medio nullo. L'offset dell'operazionale, moltiplicato per il guadagno di rumore del circuito (noise gain) decisamente elevato (circa 300 volte) da` questo effetto di spostare le forme d'onda dal valor medio nullo. Con guadagni elevati e tensioni basse, questo puo` essere un problema, si rimedia aggiungendo un po' di offset al generatore di segnali, per centrare l'uscita.

La misura dell'impedenza differenziale di ingresso e` critica sia per il rumore che per le capacita` parassite, e puo` solo essere fatta con operazionali a bassa impedenza. Si modifica il circuito in questo modo:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Si aggiunge una resistenza R5 di valore simile a quella di ingresso, in modo da fare una partizione con la resistenza differenziale di ingresso. Questa operazione e` critica! La capacita` parassita sul piedino invertente forma un polo con la resistenza R5, e puo` ridurre il margine di fase o rendere instabile l'amplificatore. Per fortuna il partitore R4/R3 riduce il guadagno di anello e stringe la banda. Con una capacita` parassita di 10 pF il polo va a 16 kHz, appena fuori dalla banda (ma il margine di guadagno ne patisce).

Con la resistenza R5 aggiunta si ha una partizione fra R5 e Rd. La simulazione da` questo risultato:

Simulazione impedenza di ingresso

oa2.gif (20.36 KiB) Osservato 2709 volte

Misurando Vu e Vm si riesce a trovare Rd in questo modo. Vu/Ad ci dice la tensione sul morsetto invertente. In questo caso 632mV/198=3.19mV. Invece la tensione Vm moltiplicata per il rapporto di partizione R4 e R3, e trascurando circa 2 Mohm in parallelo a 100 ohm ci da` la tensione prima di R5: 632mV/101=6.26mV.

Ora sappiamo che all'ingresso del partitore ci sono 6.26mV, mentre all'uscita ci sono 3.19mV, e una delle due resistenze vale 1Mohm. Con arditi passaggi matematici si trova che l'impedenza di ingresso vale 1.04 Mohm. E anche qui quadra!

Ho finito il numero di immagini che posso allegare. Posso ancora aggiungere lo schema che si usa per trovare l'impedenza di uscita, ma non posso mettere la simulazione.

Per la misura dell'impedenza di uscita (ad anello aperto) si usa questa tecnica: si fa guadagnare lo stadio in modo che alla frequenza a cui siamo interessati a misurare, il guadagno di anello del sistema sia ampiamente minore di 1. In questo modo l'effetto della retroazione non si fa sentire. Visto che a 5 kHz l'operazionale guadagna 198 volte circa, si mette una retroazione con fattore di 1/2200 circa e il guadagno di anello a 5 kHz va a 0.09 e non da` piu` fastidio. Oppure equivalentemente lo si puo` pensare come avere una frequenza di crossover di 0.45kHz e si sta facendo la misura a 5kHz. Occhio che con questo sistema si rischia di saturare l'operazionale a causa degli offset, ma il problema comunque lo si risolve facilmente.

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Anche qui si sfrutta un partitore fra la resistenza di uscita incognita Ro e la resistenza conosciuta di R3, che deve essere dalle parti del valore di Ro. Si puo` scrivere che . Misurando le tensioni e conoscendo il valore di R3 si trova Ro. Nel mio esempio ho il rapporto fra le due tensioni pari a 0.386, e quindi essendo R3=50 ohm si ricava che Ro=31 ohm circa. In questo caso le due tensioni sono in fase perche' l'impedenza di uscita ad anello aperto, a bassa frequenza e` ragionevolmente resistiva (ma non lineare, ma questa e` un'altra storia).

Anche in questo caso la misura viene fatta ad anello chiuso in continua (ed aperto alla frequenza di lavoro)

Come condensatore di accoppiamento si puo` anche usare un valore piu` grande, ad esempio 1uF a film. Questo e` il primo che ho trovato dentro spice .

Per quanto riguarda l'impedenza di ingresso di modo comune, non ho idea di come misurarla! Anzi un'idea ce l'ho, ma devo prima verificare se funziona. E questo e` tutto quello che avevo da dire sulla misura dei parametri lineari dell'operazionale.

Anzi quasi tutto, perche' tutto questo non c'entra nulla con il modello dell'operazionale usato come comparatore. Usare questo modello per il tuo circuito e` una doppia fesseria, la prima e` che il modello non e` quello che serve, la seconda che il modello comunque e` sbagliato per quella applicazione.

Prova a sentire il tuo prof, C. Tur. (almeno immagino sia lui) queste cose le sa bene! Prova a dire all'assistente che un uccellino ti ha detto che quanto ti ha suggerito e` senza senso, e vediamo che cosa risponde. Ho detto uccellino, non caxxone

I problemi di errore di frequenza sono dovuti allo slew rate e al ritardo a uscire dalla saturazione. Ho i conti e le simulazioni che lo fanno vedere, ma adesso non ho tempo per scriverlo, ho gia` perso una giornata di surf con Sasha per scrivere questa roba!

[RenzoDF]

... ho gia` perso una giornata di surf con Sasha per scrivere questa roba!

e, visto che ho trovato chi mi sostituisce nello scrivere le "paginate" di post .... io ne ho approfittato per fare ... "surf" con le due piu' belle ragazze di Los Angeles

BTW vedendo xyz online, gli rifaccio la domanda -----> in che anno ti sei laureato ?

[xyz]

rifaccio la domanda -----> in che anno ti sei laureato ?

Mi era sfuggita la domanda, nel secolo scorso nel 1998 dopo aver dato appunto campi e teoria dei circuiti.

[DarwinNE]

Cominciamo dal piu` semplice, il guadagno dell'operazionale a 5 kHz. Lo stesso metodo, cambiando un pochino i valori, funziona anche per la continua.

Il circuito riportato da IsidoroKZ ha il non trascurabile vantaggio di essere abbastanza pratico anche nella misura in laboratorio del guadagno d'anello, cosa che è invece praticamente infattibile senza controreazione.

xyz, ci siamo quasi incrociati. Io bazzicavo in quei corsi (R. Orta e C. Beccari) verso il 2000.