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Costruzione OpAmp a componenti discreti

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Costruzione OpAmp a componenti discreti

Messaggioda Foto Utentelorespaul » 5 apr 2021, 10:01

Buongiorno a tutti,

A scopo didattico, sto cercando di costruire un opamp a componenti discreti.
Dopo aver creato lo schema su LTSpice (di cui allego il file .asc insieme ad uno screenshot dello schematico all'interno del file opamp.zip) sono passato alla realizzazione su breadboard, e dopo un po' di debug, al funzionamento del circuito (almeno a basso carico).

Infatti collegando all'uscita un speaker audio da 8ohm, si verifica una netta distorsione del segnale in uscita e la cosa si aggrava all'aumentare della resistenza di retroazione. Se si mantiene la resistenza di retroazione sotto i 50k avendo come resistenza di ingresso 10k, la distorsione non si nota da oscilloscopio, perciò sono portato a pensare che sia più un problema dello stadio di ingresso che dello stadio di uscita.

Su LTSpice la cosa non si nota, ma se si abbassa la resistenza di carico a 4ohm e si prende il segnale sul nodo di uscita dell'amplificatore differenziale (sul collettore di Q2), si vede l'esatta distorsione che riscontro sul circuito reale.

Vi ringrazio in anticipo per l'aiuto.
Lorenzo
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opamp.zip
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[2] Re: Costruzione OpAmp a componenti discreti

Messaggioda Foto UtenteEtemenanki » 5 apr 2021, 11:04

Ci sono parecchi tipi di schema equivalente per operazionali, considera pero' una cosa ... in tutti quanti, sia i vari specchi di corrente che la sezione differenziale di ingresso sono di solito realizzati su un singolo chip, il che ne fa dei cosiddetti "matched pair" , cioe' coppie di transistors dove le caratteristiche sono il piu identiche possibile ... soprattutto per i "current mirror", anche una minima differenza nelle caratteristiche, in particolare VBE, dei due, puo causare molti problemi ... in ltspice probabilmente non lo vedi perche' usa gia di suo transistor con caratteristiche identiche, tutti derivati da una sola tabella (non e' la prima volta che a me ltspice causa un sacco di problemi in quel senso, non usando caratteristiche di componenti reali) ... potresti controllare che non dipenda da questo ...

Almeno, questa e' la prima cosa che mi viene in mente di controllare ...
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[3] Re: Costruzione OpAmp a componenti discreti

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 5 apr 2021, 11:08

Non so aiutarti.

Può darsi che il circuito funzioni correttamente.

Quando ho letto "OpAmp" ho creduto fosse un amplificatore operazionale tradizionale , con ingresso invertente e non invertente, questo mi pare sia più un amplificatore di potenza.

La distorsione si verifica per saturazione degli stadi?
Se si mantiene la resistenza di retroazione sotto i 50k avendo come resistenza di ingresso 10k,

Ossia per guadagno in modulo di 5 ?
Se aumenti il guadagno a parità di segnale in ingresso distorce prima.

Quanto è la tensione di alimentazione?
quanto è l'ampiezza indistorta del segnale in uscita, a vuoto e sotto carico 8 ohm ?
O_/
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[4] Re: Costruzione OpAmp a componenti discreti

Messaggioda Foto Utentelorespaul » 5 apr 2021, 11:54

Etemenanki, ho cercato di prendere tutte le precauzione del caso riguardo le differenze dei transistor reali.
In particolare, per la resistenza R7, ho utilizzato un potenziometro in modo da regolare la tensione in uscita a metà della tensione di alimentazione in assenza di retroazione (nel caso reale R7 è di circa 26k). Ho misurato i guadagni dei transistor utilizzati negli specchi a multimetro, cercando di scegliete componenti con guadagno equivalente. Inoltre ho misurato le correnti sulle resistenze R19 e R20 che paiono essere molto simili a quelle misurate su LTSpice. Stessa cosa per il nodo sul collettore del transistor Q5.
No ho potuto verificare la tensione sul nodo di uscita dell'amplificatore differenziale perché tenendo d'occhio con l'oscilloscopio l'uscita si vedeva che la misura di tensione effettuata col multimetro causava lo spostamento del punto di lavoro degli stadi a valle.
Tutte le misure sono state prese in assenza di segnale in ingresso.

MarcoD, la tensione di alimentazione è di 30v e l'ampiezza del segnale in uscita in assenza di carico è molto simile a quella calcolata tramite la formula dell'amplificatore operazionale in configurazione invertente. Sotto carico invece l'ampiezza diminuisce (considerata anche la distorsione) ma per dare dei dati certi devo rieffettuare la misura.
Posso però già dire che ho fatto una prova con un carico da 100ohm e la distorsione non era presente (almeno ad occhio sull'oscilloscopio), mentre con 47ohm si iniziava già a notare.
MarcoD ha scritto:Ossia per guadagno in modulo di 5 ?
O_/

Si esatto, con guadagno <= 5 la distorsione non si presenta anche al variare dell'ampiezza del segnale in ingresso.
Non saprei dire se la distorsione si verifica a causa della saturazione di qualche stadio, ma magari potrei provare a variare le resistenze R19 e R20 e vedere che succede.

A breve riporterò i dati delle nuove misure.
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[5] Re: Costruzione OpAmp a componenti discreti

Messaggioda Foto Utentelorespaul » 5 apr 2021, 14:52

Ho fatto diversi test di cui riporto l'esito.

La resistenza di ingresso è sempre di 10k. I segnagli di ingresso indicati rappresentano il picco di una sinusoide generata da PC.
Sia in assenza di carico che con carico da 1k si ha che:
- Vin | 0,4 | 1
- Vout | 14 | 14
- Rgain | 500k | 140k

in questo caso il segnale rimane pulito.

Con carico da 10ohm ho provato con gli stessi livelli di Vin ma l'ingresso è risultato sporcarsi per cui i livelli sono cambiti:
- Vin | 0,2 | 0,8
- Vout | 10 | 12,5
- Rgain | 500k | 140k

Ho poi provato a cambiare R1 a 51k e R19 e R20 a 5k1 (R7 regolata di conseguenza) ma non sembra esserci stato nessun cambiamento sostanziale a parte che l'ingresso non viene più sporcato anche con resistenza di carico da 10ohm.

Ho notato anche che in realtà a 140k di resistenza di retroazione il segnale in uscita è ancora abbastanza pulito.

Il mio intento comunque era di realizzare un amplificatore di potenza che avesse le caratteristiche di un operazionale. Sono ben accetti link ad articoli da dove poter prendere spunto per migliorare il circuito.
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[6] Re: Costruzione OpAmp a componenti discreti

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 5 apr 2021, 15:11

Foto Utentelorespaul servirebbe lo schema disegnato con Fidocad, grazie.
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[7] Re: Costruzione OpAmp a componenti discreti

Messaggioda Foto UtenteEtemenanki » 5 apr 2021, 15:13

lorespaul ha scritto:...
Il mio intento comunque era di realizzare un amplificatore di potenza che avesse le caratteristiche di un operazionale. Sono ben accetti link ad articoli da dove poter prendere spunto per migliorare il circuito.


Questo potrebbe essere parte del problema, esistono gia operazionali di potenza, ma non hanno la stessa geometria interna dei "normali" operazionali ... per darti un'idea di cosa intendo, prova a considerare lo schema interno equivalente di un LM675 https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm675.pdf?ts=1617552386676 (pagina 6) e confrontalo con quello di un'operazionale standard.

EDIT: e' comunque uno schema indicativo, ma da un'idea di cosa intendo ;-)
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[8] Re: Costruzione OpAmp a componenti discreti

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 5 apr 2021, 15:17

Cos'è quell'induttore da 0.55mH collegato in uscita?
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[9] Re: Costruzione OpAmp a componenti discreti

Messaggioda Foto Utentelorespaul » 5 apr 2021, 15:47

BrunoValente ha scritto:Cos'è quell'induttore da 0.55mH collegato in uscita?


Ho provato a replicare le caratteristiche di una cassa acustica. Ho misurando il valore di induttanza della mio speaker che è risultato essere appunto di 550uH. Così, come carico, ho messo un induttanza con quel valore e resistenza serie di 8ohm. É corretto?

Comunque provo a replicare il circuito su Fidocad.


Etemenanki ha scritto:prova a considerare lo schema interno equivalente di un LM675 https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm675.pdf?ts=1617552386676 (pagina 6) e confrontalo con quello di un'operazionale standard.


Grazie! Cerco di studiarmi bene il circuito perché a prima vista è molto complicato.
Giusto per farti capire il mio livello: sono un programmatore e da circa 2 anni (dopo qualche esperienza con Arduino) sto provando a studiare da autodidatta, ma faccio fatica a capire al volo il funzionamento dei circuiti.
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[10] Re: Costruzione OpAmp a componenti discreti

Messaggioda Foto Utentelorespaul » 5 apr 2021, 17:39

BrunoValente ha scritto:lorespaul servirebbe lo schema disegnato con Fidocad, grazie.


Ecco lo schema. É la prima volta che uso Fidocad, spero di non aver fatto errori.

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