Laborator DEEA - determinarea parametrilor amplificatoarelor operationale prin simulare in Spice

Determinarea parametrilor amplificatoarelor operationale prin simulare in Spice

declaratia Spice a amplificatorului operational este:

X<nume> nod_intrare nod_intrare- nod_alimentare+ nod_alimentare- nod_iesire nume_model

unde semnificatia nodurilor poate fi dedusa pe baza figurii de mai jos:

In toate simularile, modelul utilizat pentru amplificatorul operational este uA741 (aceste va fi introdus in campul nume_model din declaratia AO-ului). Modelul respectiv este declarat in libraria linear.lib si pentru a putea fi utilizat in simulari, libraria respectiva trebuie declarata. In Spice, declaratia unei librarii de componente este urmatoarea:

.lib cale_librarienume_librarie

unde cale_librarie este c:pspicelib

deci, pentru acest caz declaratia librariei este:

.lib c:pspiceliblinear.lib

Partea 1. Analiza AO-ului in bucla deschisa.

Principalii parametrii care caracterizeaza performantele/functionarea AO-ului in acest regim:

Amplificarea in tensiune in bucla deschisa: A_OL

Tensiunile de saturatie: V_SAT+ si V_SAT-

Raspunsul in frecventa al amplificatorului in bucla deschisa: f_B – (frecventa la care A_OL=1)

1. Determinarea caracteristicii de transfer a AO-ului in bucla deschisa.

Se va efectua analiza in curent continuu (.DC) a circuitului din Figura S1, considerandu-se urmatoarele date de simulare: tensiunea de intrare Vin este baleiata (variata) in intervalul [-0.5V +0.5V], cu un pas de 1mV. Pentru obtinerea caracteristicii de transfer, marimea electrica vizualizata este tensiunea de la iesirea AO-ului. Se va determina pe caracteristica obtinuta urmatoarele marimi (cu ajutorul cursorului):

a. tensiunile de saturatie V_SAT+ si V_SAT-.

b. amplificarea in tensiune A_OL a AO-ului in bucla deschisa: in acest scop, se selecteaza comanda Set Range si se seteaza intervalul de vizualizare a caracteristicii la valorile -0.001 +0.001; parametrul A_OL este panta segmentului vizualizat al caracteristicii de transfer..

Figura S1

2. Determinarea raspunsului in frecventa al AO-ului

Se va efectua analiza in curent alternativ (.AC) a circuitului din Figura S1, considerandu-se urmatoarele date de simulare: tensiunea de intrare Vin are o amplitudine de 10mV si o faza de 0 grade, iar frecventa acesteia va fi variata in domeniul 0.1Hz 10MHz. Vizualizarea rezultatului se va efectua pe decade, numarul de puncte de analiza fiind 10/decada. Pentru determinarea raspunsului in frecventa al AO-ului este necesar sa se vizualizeze variatia amplificarii in bucla deschisa A_OL in functie de frecventa lui Vin. Vizualizarea lui A_OL este realizata selectand pentru vizualizare raportul tensiune_iesire_AO/Vin. Pe caracteristica obtinuta se va determina cu ajutorul cursorului frecventa f_B la care A_OL este egal cu 1.

Document online: Condensul - ce putem face pentru a micsora riscul aparitiei condensului? Proiect: Echipamente si instalatii de stingere a incendiului - prescriptii generale

3. Vizualizarea distorsiunilor produse de intrarea in saturatie a AO-ului

Se va efectua analiza in regim tranzitoriu (.TRAN) a circuitului din Figura S1, considerandu-se urmatoarele date de simulare: tensiunea de intrare Vin este sinusoidala si are o componenta continua (medie de 0V, o amplitudine de 0.1V si o frecventa de 1KHz. Se vor vizualiza 5 perioade ale tensiunii de la iesirea AO-ului, considerandu-se 100 puncte de analiza. Pe forma de unda obtinuta, se vor observa distorsiunile (modificarea formei semnalului de iesire fata de cel aplicat la intrare).

Partea 2. Analiza AO-ului in bucla inchisa la semnal mic.

Principalii parametrii care caracterizeaza performantele/functionarea AO-ului in acest regim:

Amplificarea in tensiune in bucla inchisa: A_CL

Raspunsul in frecventa al amplificatorului in bucla inchisa: f_S – (frecventa la care A_CL scade de 0.707 ori fata de valoarea maxima)

Semnal mic = variatia maxima a tensiunii la iesirea AO-ului este < 1V.

Figura S2

1. Determinarea amplificarii in tensiune in bucla inchisa

Se va efectua analiza in regim tranzitoriu (.TRAN) a circuitului din Figura S2 (amplificator neinversor), considerandu-se urmatoarele date de simulare: tensiunea de intrare Vin este sinusoidala si are o componenta continua (medie de 0V, o amplitudine de 1V si o frecventa de 1KHz. Se vor vizualiza 5 perioade ale tensiunii de la iesirea AO-ului, considerandu-se 100 puncte de analiza. Pe forma de unda obtinuta, se va determina cu ajutorul cursorului amplitudinea semnalului si se va calcula amplificarea in tensiune a circuitului cu relatia:

unde V₀ si Vin sunt amplitudinile celor 2 tensiuni. Se va compara rezultatul obtinut cu rezultatul teoretic, calculat cu formula:

Semnul pozitiv al relatiei de mai sus indica un defazaj de 0⁰ intre tensiunea de iesire si cea de intrare – cele 2 semnale sunt in faza. Pentru observarea defazajului, dupa determinarea amplificarii, se va vizualiza in aceeasi fereastra si tensiunea de intrare, urmarindu-se intarzierea dintre cele 2 semnale (care este egala cu 0 in acest caz).

2. Determinarea raspunsului in frecventa al amplificatorului neinversor.

Se va calcula mai intai frecventa superioara a amplificatorului neinversor cu formula:

apoi, se va efectua analiza in curent alternativ (.AC) a circuitului din Figura S2, considerandu-se urmatoarele date de simulare: tensiunea de intrare Vin are o amplitudine de 1V si o faza de 0 grade, iar frecventa acesteia va fi variata in domeniul 0.1Hz 10MHz. Vizualizarea rezultatului se va efectua pe decade, numarul de puncte de analiza fiind 10/decada. Pentru determinarea raspunsului in frecventa al amplificatorului inversor este necesar sa se vizualizeze variatia amplificarii in bucla inchisa A_CL in functie de frecventa lui Vin. Vizualizarea lui A_CL este realizata selectand pentru vizualizare raportul tensiune_iesire_AO/Vin. Pe caracteristica obtinuta se va determina, cu ajutorul cursorului frecventa, f_S la care A_CL scade de 0.707 ori fata de valoarea sa maxima.

3. Produsul amplificare-banda

La um amplificator, banda de frecvente B este diferenta dintre frecventa superioara f_S si cea inferioara f_L, unde frecventa inferioara se defineste similar cu cea superioara dar se determina in domeniul frecventelor joase. Deoarece, in cazul amplificatorului inversor f_L este 0, banda de frecvente a acestuia devine:

B=f_S-f_L=f_S-0=f_S

Utilizand relatia de la punctul 2 si formula pentru A_CLideal, rezulta ca produsul amplificare – banda este constant:

Se va verifica prin calcule ca produsul rezultatelor obtinute la punctele 1 si 2 pentru cele 2 rezistente RF este aproximativ acelasi. Observatia de mai sus conduce la urmatoarea remarca importanta:

Partea 3. Analiza AO-ului in bucla inchisa la semnal mare.

Semnal mare = variatia maxima a tensiunii la iesirea AO-ului este > 1V.

Principalii parametrii care caracterizeaza performantele/functionarea AO-ului in acest regim:

Viteza de variatie a tensiunii de iesire: SR (SR= Slew Rate - furnizeaza informatii despre cat de repede se poate modifica valoarea tensiunii de iesire).

Frecventa maxima a AO-ului f_MAX: frecventa maxima pana la care la iesire nu se observa distorsiunile generate de parametrul SR.

Figura S3

1. Determinarea parametrului SR

Se va efectua analiza in regim tranzitoriu (.TRAN) a circuitului din Figura S3 (repetor), considerandu-se urmatoarele date de simulare: tensiunea de intrare Vin este dreptunghiulara (cu parametrul pw=0.5T) si are o componenta continua (medie de 0V, o amplitudine de 10V si o frecventa de 10KHz. Se vor vizualiza 5 perioade ale tensiunii de la iesirea AO-ului, considerandu-se 1000 puncte de analiza. Pe forma de unda obtinuta, se va observa distorsionarea semnalului de iesire (nu mai este dreptunghiular) cauzata de viteza de variatie redusa a tensiunii de iesire a AO-ului, care-l face incapabil pe acesta sa urmareasca la iesire variatia semnalului de la intrare. Pe aceasta foorma de unda se va determina cu ajutorul cursorului variatia maxima a tensiunii de iesire, intervalul de timp in care este realizata aceasta variatie si se va calcula cu formula de mai sus parametrul SR.

un generator de semnal dreptunghiular se declara astfel:

V<nume> nod+ nod- PULSE(V1 V2 td tr tf PW T)

2. Calculul frecventei maxime a AO-ului

Se va calcula frecventa maxima a AO-ului cu formula:

unde V_0MAX reprezinta variatia maxima a tensiunii de iesire exprimata in volti.

Prin reducerea frecventei semnalului de intrare Vin la o valoarea inferioara lui f_MAX calculat cu formula de mai sus, se va observa daca distorsiunile de pastreaza in forma de unda. In acest scop, se va relua analiza in regim tranzitoriu (.TRAN) a circuitului din Figura S3 (repetor), efectuata la punctul 1, considerandu-se aceleasi date de simulare cu deosebirea frecventa semnalului este aleasa la o valoare inferioara lui f_MAX. Se vor vizualiza 5 perioade ale tensiunii de la iesirea AO-ului, considerandu-se 1000 puncte de analiza (atentie la parametrii analizei .tran care se modifica in functie de frecventa semnalului Vin)