Esperienza: Progettazione e applicazioni di un amplificatore operazionale

Informazioni generali

Aree significative della fisica	Elettronica e Biofisica sperimentale
Docente	S. Centro
Descrizione concisa	Nel primo trimestre verrà rpogettato, simulato e costruito un amplificatore operazionale a componenti discreti (transistori bipolari). Nel secondo trimestre si progetterà, simulerà e si costruirà con operazionali, a scelta, un modulatore delta-sigma, una tensione di riferimento stabile in temperatura, un convertitore AD, un convertitore DA, etc.
Obbiettivi del corso	Comprensione del concetto di amplificatore oeprazionale, di massa virtuale, di guadagno con controreazione, di stabilità e banda passante. Progettazione di un elemento realmente usato nella sperimentazione fisica.
Numero di studenti accettabili	dieci
Logistica	Il laboratorio si svolgerà nel polo didattico del dipartimento di Fisica

Conoscenze necessarie

Insegnamenti prerequisiti	Il transistore verrà descritto solo dalle sue curve caratteristiche. Prerequisito sufficiente è la preparazione acquisita dai laboratori precedenti e dalle lezioni introduttive.
Argomenti prerequisiti	Il corso di Elettronica Applicata non è prerequisito necessario, ma utile.

Attività svolte nell'esperimento

Viene indicato, sinteticamente, l'impegno richiesto per ciascuna delle attività di seguito riportate

Messa a punto catena elettronica	Costruzione di un circuito con componenti discreti.
Simulazioni	Simulazioni con CAD Microcap o Microsim.
Presa dati	Misure con strumentazione di laboratorio.
Analisi dati	-
Uso di applicativi al calcolatore	Acquisizione con moduli controllati da LabView

Descrizione estesa del lavoro previsto

Primo trimestre. Il lavoro verrà svolto a gruppi di due studenti (due è il numero ottimale). La realizzazione dell'amplificatore operazionale richiede tipicamente l'uso di circa 25 componenti attivi. La progettazione verrà assistita dalla simulazione del circuito con CAD (Microcap o MicroSim). Durante questa fase si richiederà che il progetto soddisfi a specifiche definite in termini di guadagno a maglia aperta, banda passante, slew-rate, sfasamento e stabilità in frequenza. I concetti relativi e le nozioni fondamentali sulle caratteristiche che deve avere un amplificatore operazionale saranno trattati nelle lezioni introduttive e nelle note che vengono fornite.
Dopo la completa simulazione siu passerà alla costruzione su basetta dell'oeprazionale, con le accortezze necessarie ad una buona realizzazione circuitale, e quindi alla misurazione delle sue caratteristiche con un confronto critico con quanto atteso dalle simulazioni.
Si faranno anche misure su amplificatori invertenti e non invertenti realizzati con l'amplificatore operazionale di cui sopra.
Secondo trimestre. Verrà realizzata un'applicazione con operazionali. In questa fase verranno usati operazionali commerciali integrati. Gli argomenti possono essere scelti dagli studenti fra varie applicazioni. Si danno nel seguito alcuni esempi basati sull'esperienza degli ultimi due anni:
- Costruzione di una tensione di riferimento stabile in temperatura. Misure in camera climatica. Realizzazione di un termometro ad alta precisione e di un sistema termostatico.
- Costruzione di un modulatore delta-sigma e verifica delle sue caratteristiche in termini di risoluzione, banda passante e rumore.
Nel futuro potranno essere proposti: convertitori AD a doppia integrazione, convertitori DA a rate lader, convertitori tempo-ampiezza, etc.