Memoria Practica 1 (2014)

Trabajo Español
Universidad Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
Grado Ingeniería Telemática - 2º curso
Asignatura FISE
Año del apunte 2014
Páginas 17
Fecha de subida 02/12/2014
Descargas 24
Subido por

Vista previa del texto

Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
Funcions i Sistemes Electrònics Pràctica 1 L’AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Març 2014 Bernat Pedrol i Marc Peig Albiac Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
Sessió 1 Qüestió 1.1: Quin guany i desfasament hi ha entre els senyals d’entrada i de sortida de l’etapa? Desfasament de pi/2 entre les dos sinusoides.
El guany de la etapa inversora és 1. (Vo=Vi*(-R2/R1)) o (10/10=1) Qüestió 1.2: Quines tensions es visualitzen als nodes d’entrada inversor i no inversor de l’A.O.? (Fes el zoom adequat per veure-les correctament).
Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
Al node no inversor (positiu) es mesuren 0V, en canvi al node inversor (negatiu) hi han 30μV degut, probablement, a les no-idealitats del Amplificador Operacional utilitzat en la pràctica .
Qüestió 1.3: Representa els senyals de sortida i entrada de l’etapa simultàniament i comenta els resultats obtinguts.
10mV 5mV 0V -5mV -10mV 0s V(R1:1) 0.1us V(OUT) 0.2us 0.3us 0.4us 0.5us 0.6us 0.7us 0.8us 0.9us 1.0us Time La tensió de sortida es mostra clarament atenuada respecte a la senyal d’entrada, la causa és haver augmentat de tal forma la freqüència del senyal d’entrada. A aquesta freqüència tant elevada es supera l’ample de banda del AO utilitzat i per això obtenim un resultat com el mostrat a la gràfica anterior.
Qüestió 2.1: Quin guany i desfasament hi ha entre els senyals d’entrada i de sortida de l’etapa? 10V 5V 0V -5V -10V 0s V(R1:1) 1ms V(OUT) 2ms 3ms 4ms 5ms Time 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
Desfasament de pi/2.
Guany de 10.
Qüestió 2.2: Quina forma té el senyal de sortida? Per què? 15V 10V 5V 0V -5V -10V -15V 0s V(R1:1) 1ms V(OUT) 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms Time Tenint en compte el guany de l’etapa inversora (10), la sortida teòrica hauria de ser 20V. Tot i així, es pot veure com el voltatge al node de sortida es satura com a conseqüència del voltatge màxim de saturació del amplificador uA741.
Qüestió 2.3: Quina tensió s’observa en el node d’entrada inversor de l’amplificador operacional? Es conserva el curtcircuit virtual durant tot el període del senyal ? Quan es perd? Una tensió de 19.25uV, molt petita comparada amb la tensió d’entrada ja que, per l’estudiat a classe de teoria, podem considerar el curtcircuit virtual als dos nodes d’entrada. Aquest curtcircuit virtual sol es manté durant la zona lineal i es perd quan el mateix es deixa de saturar.
Qüestió 2.4: Quina és la màxima amplitud que pot tenir el senyal d’entrada de l’etapa sense produir distorsió en el senyal de sortida? Fes una simulació per comprovar la validesa del càlcul.
Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
15V 10V 5V 0V -5V -10V -15V 0s V(R1:1) 1ms V(OUT) 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms Time 1.49V Qüestió 3.1: A la representació simultània dels senyals d’entrada i sortida (representeu –VIN(t) i VOUT(t)), quin efecte s’aprecia? A què és degut? 1.2mV 0.8mV 0.4mV -0.0mV -0.4mV -0.8mV -1.2mV 0s V(OUT) 1ms -V(IN) 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms Time S’aprecia que els dos senyals estan en fase encara que estan desplaçats 0.2 mv entre ells.
Qüestió 3.2: Quin valor té el senyal de sortida? 9ms 10ms Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
120uV 100uV 80uV 60uV 40uV 20uV 0V 0s V(R1:1) 1ms V(OUT) 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms 9ms 10ms Time 120uV. El valor que dona és petit però apreciable degut a l’error d’offset de l’etapa.
Qüestió 3.3: Quin valor té el senyal de sortida també per a la tensió d’entrada igual a 0V? 1.2mV 1.0mV 0.8mV 0.6mV 0.4mV 0.2mV 0V 0s V(R1:1) 1ms V(OUT) 2ms 3ms 4ms 5ms Time 1mV Qüestió 3.4: Quin valor té el senyal de sortida? 6ms 7ms 8ms Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
1.0mV 0.8mV 0.6mV 0.4mV 0.2mV 0V 0s V(R1:1) 1ms V(OUT) 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms Time Aproximadament 0,84mV Qüestió 3.5: Justifiqueu els diferents resultats obtinguts en les qüestions 3.2, 3.3 i 3.4.
Els senyals visualitzats en les tres qüestions són deguts a l’error d’offset de l’etapa amplificadora.
Així, es pot veure comparant les tres qüestions com, encara que el guany sigui la unitat, la tensió d’offset es modifica a causa del diferent valor de les resistències que composen la etapa.
Qüestió 3.6: Quin valor té l’error de sortida? Per què? 38,5uV. Pel descrit a la qüestió anterior, a causa de l’error d’offset de la sortida.
40uV 30uV 20uV 10uV 0V 0s V(R1:1) 1ms V(OUT) 2ms 3ms 4ms 5ms Time 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
Qüestió 4.1: A què és degut que la sortida no sigui exactament la diferencia de les tensions d’entrada? 3.0mV 2.0mV 1.0mV 0V -1.0mV 0s V(OUT) 1ms V(R1:1,R2:1) 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms Time És degut al error del CMRR. Aquest error estudiat a classe de teoria es reparteix entre el node positiu i negatiu del amplificador diferencial i fa que la sortida no sigui exactament la diferencia de les tensions.
Qüestió 4.2: Quin és el guany de tensió diferencial (component quadrada de la tensió)? Ad = Vo / (V- + V+) = 2mV/ (1m+1mv) = 1 (0dB) Qüestió 4.3: Quin és el guany de tensió en mode comú (component sinusoïdal de la tensió)? As = Vo/Vs = 2mV/10V = 2e-4 Qüestió 4.4: En quant es pot estimar el CMRR de tota l’etapa restadora? CMRR = 20 log ( 1/2e-4) = 73,9 dB Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
SESSIÓ 2 Qüestió 5.1: Quina amplada de banda a -3 dB té l’etapa? 1.0V 0.8V 0.6V 0.4V 0.2V 0V 1.0Hz 3.0Hz 10Hz V(R1:1) V(R2:2) 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz Frequency Fc= f(1/sqrt(2)) = f(0,707) = 652KHz Fc(-3Db) = 650kHZ 10KHz 30KHz 100KHz 300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHz Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
Qüestió 5.2: Quin guany i desfasament introdueix l’etapa per a un senyal d’1kHz? 1.0 0.5 SEL>> 0 M(V(OUT)/V(IN)) 180d 135d 90d 45d 0d 1.0Hz 3.0Hz P(V(OUT)/V(IN)) 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHz Frequency Guany = 20 log 1 = 0 dB Desfasament 180º=pi Qüestió 5.3: A quina freqüència el desfasament entre senyal d’entrada i de sortida és de 90º? Com es pot veure a la imatge, la freqüència per a la qual el desfasament és de 90º és aproximadament 850Khz.
Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
Qüestió 6.1: Quins guanys i amplades de banda s’obtenen per a cada resistència? Quin és el producte guany-ample de banda en cada cas? Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
100V 80V 60V 40V 20V 0V 1.0Hz 3.0Hz V(R1:1) 10Hz V(OUT) 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHz Frequency A la resistència de 1k s’obté un guany de 0 dB (guany lineal de 1), amb la resistència de 10k s’obtenen 20 dB (un guany lineal de 10) de guany, i a la resistència de 100k s’obtenen 40 dB (un guany lineal de 100). Els amples de banda són de 657,6kHz, 94,5 kHz i 9,8 kHz respectivament. Productes guanyample de banda seran 0dB*kHz, 1890.78 dB*kHz, i 394.44 dB*kHz.
Qüestió 6.2: En el cas del guany donat per la R2 igual a 100kΩ, i atenent a l’amplitud de la font de tensió d’entrada, com estaria la tensió de sortida si fessis una simulació temporal? Perquè no apareix aquest efecte en la simulació del tipus AC? L’efecte que s’apreciaria mitjançant una simulació temporal a Vout és que l’AO entra en saturació, i per tant Vout dóna una tensió contíunua quan Vin sobrepassa la Vsat. Aquest efecte, en canvi, no s’aprecia a la resposta freqüencial , ja que el programa només reflexa la correspondència del guany a una freqüencia, suposa que l’AO treballa sempre en zona lineal i per tant no té en compte que pugui entrar en saturació.
Qüestió 7.1: Quins són el temps de pujada i de baixada de l’A.O. definits com el temps que triga la seva tensió de sortida en passar del 10 al 90 % del valor final? Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
12mV 8mV 4mV -0mV -4mV -8mV -12mV 0s V(R1:1) 50us V(OUT) 100us 150us 200us 250us 300us 350us 400us 450us 500us 3.0us 3.5us 4.0us 4.5us 5.0us Time 12mV 8mV 4mV -0mV -4mV -8mV -12mV 0s V(R1:1) 0.5us V(OUT) 1.0us 1.5us 2.0us 2.5us Time El 10% és a 1,1us El 90% és a 1,6us Triga aproximadament 0,5us Qüestió 8.1: Quin és l’efecte que predomina ara sobre el senyal de sortida? Quina és la màxima derivada del senyal de sortida (pots obtenir-la a partir del pendent d’un flanc d’aquest senyal)? Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
1.2V 0.8V 0.4V 0V -0.4V -0.8V -1.2V 0s V(R1:1) 5us V(OUT) 10us 15us 20us 25us 30us 35us 40us 45us 50us 30us 35us 40us 45us 50us Time 100M 50M 0 -50M -100M 0s V(R1:1) 5us V(OUT) 10us D(V(OUT)) 15us 20us 25us Time A la primera gràfica s’aprecia l’efecte del Slew-rate sobre el senyal de sortida, és a dir, la incapacitat de l’AO per seguir adequadament variacions brusques del senyal d’entrada , traduint-se en una representació aproximada del senyal, pero no exacta. En la segona gràfica s’adapta per visualitzar el valor d’aquest mateix error, en termes matemàtics , mitjançant la seva derivada (variació màxima); aquesta és de 80MV.
Qüestió 8.2: S’aprecia distorsió al senyal de sortida? Sí, el senyal a la sortida V(OUT) queda distorsionat a causa de l’error del AO. Aquest error és la màxima derivada del mateix pendent a causa del Slew-Rate del amplificador operacional.
Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
Qüestió 8.3: Tenen el senyals d’entrada i sortida les mateixes components freqüencials? Es pot deduir a partir de l’observació de la FFT del senyal de sortida que existeix distorsió? 34.4mV 10.0mV 1.00mV 100.0uV 10.0uV 1.00uV 100.0nV 26.9nV 0Hz V(R1:1) 1.0KHz V(OUT) 2.0KHz 3.0KHz 4.0KHz 5.0KHz 6.0KHz 7.0KHz 8.0KHz Frequency Qüestió 8.4: S’aprecia distorsió en l’observació d’un període del senyal de sortida? Sí, més concretament un petit retard del senyal de sortida respecte al senyal d'entrada. Això és degut que l'Slew Rate augmenta de manera proporcional a la freqüència, i per tant com hem augmentat la freqüència 20 vegades més, l'Slew Rate serà 20 més gran i es pot apreciar més.
10V 5V 0V -5V -10V 0s -V(R1:1) 10us V(OUT) 20us 30us 40us 50us Time 60us 70us 80us 90us 100us Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
Qüestió 8.5: Quin és el valor màxim que té el senyal de sortida derivat respecte al temps? Coincideix el valor anterior amb l’obtingut a la qüestió 8.1? Coincideix amb l’especificació del Slew-Rate de l’AO uA741? Tenint en compte la gràfica, el valor màxim del senyal de sortida derivat respecte el temps és d’ aproximadament 470kV/s (0,47V/us), el qual coincideix per sobre amb el valor obtingut en la qüestió 8.1 i a més, coincideix amb l’especificació del Slew-Rate del amplificador uA741 (0,47V/us s’aproxima a 0,5V/us). Això és degut a que els diferents components del circuit compleixen els requisits que s’especifiquen.
800K 400K 0 -400K SEL>> -800K D(V(OUT)) 10V 5V 0V -5V -10V 0s -V(R1:1) 10us V(OUT) 20us 30us 40us 50us 60us 70us 80us 90us 100us 60us 70us 80us 90us 100us Time 600K 400K 200K -0K -200K -400K -600K 0s -V(R1:1) 10us V(OUT) 20us D(V(OUT)) 30us 40us 50us Time Qüestió 8.6: Quin resultat dóna la representació de la FFT comparada amb l’obtinguda en la qüestió 8.3? (no oblideu simular un número elevat de períodes).
Bernat Pedrol i Marc Peig. Grup 21.
633mV 10mV 100uV 1.0uV 60nV 0Hz V(R1:1) 2KHz V(OUT) 4KHz 6KHz 8KHz 10KHz 12KHz 14KHz 16KHz 18KHz 20KHz Frequency 10V 1.0V 10mV 100uV 1.0uV 100nV 0Hz V(R1:1) 100KHz V(OUT) 200KHz 300KHz 400KHz 500KHz Frequency 600KHz 700KHz 800KHz 900KHz ...