Capacitori e Opamp - Taglio basse frequenze

[Lorenen]

salve a tutti, sono uno studente di Ing. Elettronica alle prese con i primi progetti... scusate per errori e lacune

Sto progettando un amplificatore da circa 20dB (quindi circa "x10") su un range di frequenze dai 50kHz ai 250KHz, il generatore ha impedenza 100Kohm e il carico è di 600ohm: ho bisogno di un'alta Rin e una bassa Rout.

Posso utilizzare esclusivamente opamp modello 741 con queste caratteristiche:

Ao (guadagno anello aperto) circa 10 alla 5
Ro circa 75 ohm
Rid circa 2M ohm
GBW 1mega

La mia idea iniziale era di pensare ad ottenere il miglior rapporto banda/amplificazione progettando un normale amplificatore passa basso.. salvo poi mettere un condensatore prima di uno degli stadi per tagliare le frequenze basse. Ero arrivato ad un buon progetto (credevo) con 4 stadi non invertenti uguali seguiti da un quinto stadio non invertente.. ma ho un problema.

La Rin di ogni stadio è talmente alta che per tagliare 50KHz avrei bisogno di condensatori nell'ordine dei 10 alla -16 farad.. mi risulta che i più piccoli in commercio siano da -12

avete qualche suggerimento? devo per forza mettere uno stadio invertente (con minore Rin) o esiste qualche stratagemma per piazzare il condensatore facendogli "vedere" un carico minore? ve ne prego aiutatemi perché non so dove sbattere la testa

[RenzoDF]

Scusami ma, visto che parli di banda passante, allora vuoi progettare un filtro, non un amplificatore ... se è così il guadagno dovrai darlo su una frequenza centrale e poi specificare la banda passante BW (a -3dB), o il fattore di merito del filtro Q no
Proviamo a fare due calcoli ..

... effettivamente il filtro in questione lo potremo quasi definire "a larga banda" in quanto la BW è quasi pari al doppio della frequenza centrale ... e quindi sarà conveniente realizzarlo con un passa-alto in cascata con un passa-basso.
...ma con un 741 a 250kHz già vedo problemi all'orizzonte

BTW Capacitori No Grazie ... in Italia si chiamano Condensatori
... una mia curiosità ricorrente ... dove studi e cosa ?
... e anche : il tuo Professore usa il termine "capacitori"

...e ancora ... ma vi impongono l'uso dei 741 perché:
a) all'università non arrivano più i fondi, e hanno solo quelli
b) perché la demo di Pspice ha solo quello in libreria
c) perché vogliono mettervi alla prova per un atterraggio di fortuna al Polo Nord (vedi Nobile e resistori)
d) perché vogliono tenervi ben lontani da quanto si potrà fare nel "mondo reale" spendendo meno di un euro in più ?
d) o per farvi impazzire ?

... non sei il primo che sento con queste limitazioni

Edit : vedo solo ora la tua domanda finale sui condensatori da usare ... e rispondo; non devi certo far uso delle resistenze di ingresso degli operazionali per costruire il filtro !

[Lorenen]

Ciao Renzo! grazie della risposta

come ho letto "capacitori" ho fatto:

poi mi sono accorto del titolo sbagliato... se noti in tutto il post ho usato "condensatori" e nel titolo per la fretta ho sbagliato
Studio Ing. Elettronica nel DIEE di cagliari, sono agli ultimi esami prima parliamo del 741
I libri di testo (Sedra-Smith e Jaeger) trattano in dettaglio il 741, dalle applicazioni con l'integrato fino al suo funzionamento interno in dettaglio ( viene studiato stadio per stadio, sia nella versione con ingresso a FET che con quella con stadio d'ingresso a BJT). per quanto riguarda fondi e simili... neppure le vediamo in laboratorio ste cose.. tutta la progettazione è fatta con carta e penna e spice è opzionale da usare (se vuoi lo scarichi e lo usi).
Quindi se pensavi la situazione fosse schifosa probabilmente non hai idea di quanto sia PEGGIO di come credi...
Poi non escludo che ci vogliano far impazzire o tenere lontani dal mondo reale.. anche perché in altri esami ho visto pure di peggio...

Riguardo i tuoi suggerimenti.

Teoricamente non ci parlano di progettazione di filtri, il testo d'esame poi parla di "progettare un amplificatore di tensione per correnti alternate" seguono le caratteristiche richieste. Infatti gli dobbiamo disegnare sia lo schema a blocchi che il circuito per piccoli segnali e dirgli inoltre per quale range di valori in ingresso rispettiamo le condizioni di piccolo segnale e non abbiamo distorsione.

Scusa se magari dico fesserie.. ma anche gli amplificatori hanno una banda entro la quale amplificano "al meglio", quando li si progetta non la si deve tenere in considerazione?

Comunque se non ho capito male tu mi suggerisci di vedere il progretto come un filtro passa banda, quindi di progettarlo come due filtri in sequenza.. un passo alto e un passa basso.. ora mi guarda cosa dice il libro (così capisco le formule ) e poi ritorno qui grazie dell'idea!! senti ma a sto punto dovrei lavorare con due stadi sempre con OPamp, un condensatore in serie per il passa alto e uno in parallelo per il bassa basso? oppure per la parte "passa basso" mi va bene comunque un normale stadio amplificatore?

Riguardo i condensatori non si usa la resistenza posta "dopo" di loro per calcolarne la capacità in funzione della frequenza imposta da noi?
Ancora grazie per la risposta!

[RenzoDF]

Scusa se non ti rispondo quotando i vari passaggi, ma con una sequenza di casuale punti
...per mia pigrazia

a) quindi la traduzione italiana scrive "capacitori" in un testo universitario ... siamo a posto!

b) non perché il testo parla del 741 ci si dovrebbe fossilizzare su quel modello ...visti anche i suoi limiti ...io usavo già OA migliori ... nella preistoria ... altrimenti con quello slew-rate ... fai a tempo a farti un caffè prima che "risponda" al segnale di ingresso

c) non usate manco un simulatore ? ... e sei alla fine del corso ? ... incredibile

d) quando si legge .... "range di frequenze dai 50kHz ai 250KHz" viene automantico pensare ad un filtro (attivo visto il G>1)

e) sarei curioso di sapere cosa avete fatto come pratica di laboratorio

f) si, io ti consiglio un passa-alto + un passa-basso (attivi ovviamente) ... ma come ti dicevo, di sicuro se dovessi costruirlo NON userei un 741 ... tu che conoscerai a memoria le sue caratteristiche ... sicuramente sai il perché!

g) ricorda che un filtro attivo può avere un guadagno maggiore di uno !

h) sull'ultima domanda del post ... sorvoliamo ... faccio finta di non averla letta, secondo me non è colpa tua Lorenen, ma è il risultato della "decadenza" raggiunta nell'insegnamento universitario;

[Lorenen]

b) non perché il testo parla del 741 ci si dovrebbe fossilizzare su quel modello ...visti anche i suoi limiti ...io usavo già OA migliori ... nella preistoria ... altrimenti con quello slew-rate ... fai a tempo a farti un caffè prima che "risponda" al segnale di ingresso

guarda non ho molta pratica ma una volta ho provato "per scherzo" a calcolare la frequenza di lavoro a massima potenza (partendo dallo SR) per un amplificatore di cui ci avevano dato lo schema "come esempio pratico di progetto". Ovviamente tutto fatto con 741.. ovviamente una schifezza visto che sopra i 20Khz già calava di brutto.. e pensa che doveva amplificare da continua sino a varie centinaia di kHz!!

c) non usate manco un simulatore ? ... e sei alla fine del corso ? ... incredibile

e) sarei curioso di sapere cosa avete fatto come pratica di laboratorio

la pratica di laboratorio non è inclusa in nessun esame obbligatorio. per farla lo studente deve scegliere qualche esame opzionale che la contempli.. e questi sono al massimo 5/8 (strumentazione virtuale, circuiti/algoritmi per la meccanotronica e altri). di tutti questi esami nel piano di studi al massimo ne puoi mettere 3/4.

d) quando si legge .... "range di frequenze dai 50kHz ai 250KHz" viene automantico pensare ad un filtro (attivo visto il G>1)
comunque dipende dai punti di vista ... "amplificatori" e "filtri attivi" sono due modi diversi di vedere un circuito elettronico a seconda che si privilegi il punto di vista dell'amplificazione o della banda.

f) si, io ti consiglio un passa-alto + un passa-basso (attivi ovviamente) ... ma come ti dicevo, di sicuro se dovessi costruirlo NON userei un 741 ... tu che conoscerai a memoria le sue caratteristiche ... sicuramente sai il perché!

g) ricorda che un filtro attivo può avere un guadagno maggiore di uno !

Stavo guardando adesso i filtri attivi (LP e HP in particolare), non erano nel programmo dell'esame e li avevo saltati.. non sapevo avessero guadagno anche maggiore di uno!! nel testo c'è proprio un esempio di filtro con guadagno 2.
Adesso provo a dimensionare un passa alto con guadagno superiore ad 1, ma non credo due filtri HP + LP bastino.. al massimo credo che arriverei ad avere un guadagno di x4 massimo x5.. a me serve x10. probabilmente optero per un HP con guadagno superiore ad 1 seguito da un normale amplificatore non invertente con guadagno sufficiente ad arrivare a x10

Quello che mi lascia un po' dubbioso sarà che devo scrivergli non solo lo schema ma anche la funzione di trasferimento e studiare l'andamento in frequenza.. non so se riesco a fare bene quest'ultimo vedremo un po'!!

Ora mi vedo bene i filtri, abbozzo un progetto e con una passata di scanner magari lo metto qui chissà che non possa tornare utile a qualcuno

[fantom2002]

a) quindi la traduzione italiana scrive "capacitori" in un testo universitario ... siamo a posto!
c) non usate manco un simulatore ? ... e sei alla fine del corso ? ... incredibile
e) sarei curioso di sapere cosa avete fatto come pratica di laboratorio
h) sull'ultima domanda del post ... sorvoliamo ... faccio finta di non averla letta, secondo me non è colpa tua Lorenen, ma è il risultato della "decadenza" raggiunta nell'insegnamento universitario;

Mi intrometto solo per aggiungere benzina sul fuoco:

non sai, caro Renzo...quanto sei ancora lontano dalla realtà: e' davvero moooolto peggio di così, l'università di alcune parti di Italia.
Non è un caso che lamento sempre le mie grosse lacune e incapacità ingegneristiche.

Pensa che ho fatto una tesi sperimentale su un convertitore switching risonante (1° incongruenza: tesi sperimentale per una tecnologia già diffusa negli anni 70?), senza essere mai entrato in un laboratorio. Era in disuso

[brabus]

Ciao Lorenen.
Mi intrometto nella (interessante) discussione non per entrare nel merito del circuito, ma per una piccola "spigolatura" su una questione che ho visto sollevata. Ricopio la domanda di Renzo (che, come avrai visto, ti ha dato delle "dritte" decisamente potenti):

...e ancora ... ma vi impongono l'uso dei 741 perché:
a) all'università non arrivano più i fondi, e hanno solo quelli
b) perché la demo di Pspice ha solo quello in libreria
c) perché vogliono mettervi alla prova per un atterraggio di fortuna al Polo Nord (vedi Nobile e resistori)
d) perché vogliono tenervi ben lontani da quanto si potrà fare nel "mondo reale" spendendo meno di un euro in più ?
d) o per farvi impazzire ?

Ho posto la stessa domanda (in modo leggermente più velato ) al mio Docente di Elettronica Analogica, a fine corso (parliamo del terzo anno). Ebbene, mi ha spiegato che gli obiettivi del corso erano prettamente lo studio delle problematiche e delle non idealità dei circuiti elettronici "reali"; l'uso di un operazionale "preistorico" permette di evidenziare molto più facilmente i limiti degli operazionali in generale, e di progettare più consapevolmente circuiti che tengano conto di tali limiti.

Al quinto anno mi si è ripresentato lo stesso Docente, ad un esame chiamato "Progettazione di Elettronica Analogica". Ebbene, per il progetto finale (da costruire su basetta, con generatore di segnali ed oscilloscopio), il catalogo dei componenti utilizzabili coincideva con... il catalogo di RS Components!
E' stata data la MASSIMA libertà sul dimensionamento del circuito e sulla scelta dei componenti. Risultato? Alcuni studenti hanno scelto circuiti integrati ed operazionali estremamente performanti, per compensare gravi mancanze progettuali. Inutile dire che in sede d'esame questa scelta non è stata gradita, e i progetti sono stati fortemente penalizzati .
Chi invece, memore delle esperienze terrificanti col 741 , ha dimensionato il circuito tenendo conto delle non idealità dell'operazionale, e scegliendo il modello più appropriato, ha avuto decisamente un trattamento diverso !

Lorenen, sai bene che il 741 è talmente vecchio da sopravvivere praticamente solo nei libri di testo, ma fai tesoro di questa esperienza, cerca di capire appieno in "cosa" è carente, e "come" è stato migliorato fino ai modelli attuali, che sono praticamente dei moduli VCVS quasi ideali !

Per quanto riguarda, il circuito, vorrei capire perché sei arrivato ad usare ben cinque moduli in cascata... Forse il filtro deve presentare una attenuazione di 40 dB/decade al di fuori della banda?

[Lorenen]

Lorenen, sai bene che il 741 è talmente vecchio da sopravvivere praticamente solo nei libri di testo, ma fai tesoro di questa esperienza, cerca di capire appieno in "cosa" è carente, e "come" è stato migliorato fino ai modelli attuali, che sono praticamente dei moduli VCVS quasi ideali !

grazie per l'esperienza di vita vissuta! si penso anche io che farsi le ossa con componenti limitanti sia fondamentale per poi diventare bravi progettisti. Se si riesce a tirare fuori qualcosa di buono partendo da "cattivi ingredienti" figurarsi poi cosa si potrà fare quando si avranno a disposizione tantissime cose decisamente migliori

Per quanto riguarda, il circuito, vorrei capire perché sei arrivato ad usare ben cinque moduli in cascata... Forse il filtro deve presentare una attenuazione di 40 dB/decade al di fuori della banda?

All'inizio avevo progettato il tutto come un amplificatore con frequenza di taglio superiore uguale a quella richiesta, ovvero 250KHz, l'idea era di mettere poi un condensatore prima del 1° o eventualmente del 2° stadio: così avrei tagliato le freq. inferiori a 50KHz.
Ho optato subito per opamp in configurazione non-invertente per avvere più banda a parità di guadagno oltre che maggiore Rin.. volevo essere sicuro che gli stadi fossero dis-accoppiati (alta Rin per ogni stadio rispetto alla Rout del precedente) così da poter considerare il guadagno totale pari al prodotto dei guadagni (ovviamente non in dB).
Ho usato la formula che fornisce la frequenza di taglio di ogni stadio partendo da quella richiesta totale fratto il fattore di riduzione.

Fhtot = Fh(singolo stadio) x Fattore di riduzione

Ho imposto Fhtot = 250KhZ e calcolato i fattori di riduzione per i vari numeri di stadi.

La serie a 4 stadi risultava la migliore.. con 4 stadi IDENTICI ottenevo un guadagno di circa 9,50 (su i 10 richiesti). Ho semplicemente aggiunto un 5° stadio con guadagno minimo, la frequenza era molto alta e non creava distorsione... i problemi li ho avuti quando sono andato a piazzare il condensatore


Comunque per oggi non riesco a buttare giù il progetto modificato, ho fatto delle stime preliminari e ho visto che probabilmente potrò realizzare uno stadio di filtraggio PASSA ALTO con guadagno circa = 2, freq. di taglio di 50KHz e attenuazione di -40dB/decade. Dopo probabilmente metterò un blocco di amplificazione con freq. di taglio 250KHz e guadagno sufficiente ad arrivare a i 20dB richiesti... non dovrei avere problemi per il disaccoppiamento, il blocco di amplificazione probabilmente avrà probabilmente una Rin nel ordine dei gigaohm

Vi aggiorno domani, se nel frattempo vi viene qualche idea ditemi pure!! grazie per l'aiuto

[Lorenen]

Stavo guardando i "filtri" nel libro, tra i vari esempi ho trovato questo schema

schema filtro passa alto con guadagno maggiore di 1

1.jpg (22.41 KiB) Osservato 10366 volte

Il guadagno K deve essere compreso tra 1 e 3 altrimenti si generano molti disturbi... usare questo filtro mi costringe a ridisegnare tutto quanto il resto dell'amplificatore.. guardandolo però ho notato che viene amplificata non la tensione in ingresso ma "v2", ovvero quella filtrata (da cui vengono rimosse basse frequenze). Questo filtro inoltre è a doppio polo con attenuazione di -40dB per decade..

Mi è venuto un dubbio.. posso usare un semplice condensatore con in parallelo con una resistenza e metterli PRIMA di uno dei miei 5 stadi di amplificazione? parlo di uno schema di questo genere

schema filtro passa alto

schema filtro.jpg (12.27 KiB) Osservato 10367 volte

Il condensatore vede come resistenza quella in parallelo invece della Rin dello stadio successivo così potrei tagliare le frequenze senza diventare matto con le Rin altissime degli stadi di amplificazione!! si può fare?

[RenzoDF]

Quello postato è proprio un filtro passa alto VCVS del secondo ordine (Sallen-Key) ... ma non puoi usarlo in quel modo visto che il tuo generatore di segnale ha una Rout=100 chiloohm, devi farlo precedere da uno stadio di disaccoppiamento, direi con un guadagno tale da compensare quello dei due stadi successivi (a quello postato dovrai fare seguire per es. un passabasso sempre dello stesso tipo )

Per la scelta dei valori di R e C si possono come sai seguire diverse strade, io direi di provare partendo da R1=R2 e C1=C2, che è la più semplice ... e poi vedere le altre
Il guadagno K sarà K=3-alfa=1,583 obbligatoriamente
BTW non so se devi considerare anche il particolare pratico della scelta dei componenti fra i valori commerciali disponibili