Una scheda sperimentale per amplificatori operazionali

Un corso introduttivo di elettrotecnica in laboratorio parte dalle basi: lezioni su resistori, condensatori, induttori, diodi e su come analizzare i circuiti di base con le leggi di Kirchhoff. Per questi argomenti, i laboratori di solito usano un dispositivo a cui applicare contemporaneamente gli opposti polari: una benedizione e una maledizione, amore e odio, un terreno di gioco illimitato per l'esplorazione elettronica e la rovina dell'esistenza di uno studente di elettrotecnica. Che cos'è questo meraviglioso, ma anche terribile, dispositivo? La basetta sperimentale senza saldature.

Non ci addentreremo qui in troppi dettagli sulle basette sperimentali senza saldature. Diremo solo che hanno un loro posto indiscutibile e che non sono destinate a scomparire presto. Sono preziosissime per capire come sono fisicamente i componenti elettronici, per costruire i primi circuiti e consentire il riutilizzo dei componenti e per arrivare all'equivalente elettronico di "Hello, World!" – illuminazione di un LED (non dimenticare il resistore in serie!). Ma dopo i primi circuiti a 3, 4, 5 o 6 componenti, come il filtro passa-basso¹ di 2^o ordine mostrato nella Figura 1, la probabilità di errori di connessione, cortocircuiti, connessioni aperte e, peggio ancora, connessioni intermittenti, aumenta vertiginosamente.

Figura 1. Tipico circuito di una basetta sperimentale "semplice". (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Con l'aumentare della complessità e del numero di componenti di un circuito, si arriva a un crocevia dove le basette sperimentali diventano poco pratiche² e risulta tecnicamente essenziale ed economicamente vantaggioso produrre un circuito stampato. Grazie all'abbondanza di software di layout a basso costo, gratuiti e open-source, e di produttori di circuiti stampati a basso costo, questa decisione è scesa a un livello di complessità ridicolmente basso. Oggi è possibile guardare alcuni video didattici, scaricare un software di layout gratuito, progettare una scheda e farsela spedire per posta entro una settimana, per pochi euro. Per gli educatori e gli studenti ciò rappresenta un'opportunità, quindi saltiamo ogni esperimento e facciamo un esempio reale.

Dopo i circuiti più elementari - divisori di tensione, semplici filtri RC, diodi e uno o due amplificatori a transistor - il componente successivo in cui lo studente spesso si imbatte è un amplificatore operazionale. L'amplificatore operazionale (puramente analogico) è un componente estremamente versatile. Anche nel 2023, quando l'attenzione è rivolta all'intelligenza artificiale (IA), all'informatica, al digitale, al software, ci saranno sempre piccoli segnali dal mondo fisico che devono essere amplificati, segnali deboli che devono essere resi più forti, spesso per pilotare un convertitore analogico/digitale (ADC) con il quale il segnale vive puramente nel dominio digitale. È vero anche il caso opposto: i segnali provenienti dal mondo digitale saranno convertiti in analogici, amplificati e trasmessi a un trasmettitore radio, un altoparlante, un auricolare o un display, per essere poi fruiti da esseri umani (molto analogici).

I primi circuiti di amplificatori operazionali che uno studente costruisce non sono molto complessi e sono costituiti dall'amplificatore operazionale stesso, dai condensatori di bypass dell'alimentazione (non dimenticateli!) e da alcuni componenti passivi che ne determinano la funzione. Gli esempi includono:

• Inseguitore di tensione/buffer a guadagno unitario
• Guadagno di -1 (inverter analogico)
• Guadagno di +2
• Altri guadagni invertenti e non invertenti
• Amplificatore differenziale
• Integratore (e filtri passa-basso)
• Differenziatore (e filtri passa-alto)

Tutti questi circuiti possono essere costruiti su una basetta sperimentale con un'alta probabilità di successo. Ma fra tutti i circuiti, in una sessione di laboratorio ce ne saranno alcuni che provocheranno frustrazione in certi studenti e, nel peggiore dei casi, dall'amplificatore operazionale uscirà come per magia del fumo³.

Inoltre, le configurazioni sono selezionate tramite ponticelli che consentono allo studente di passare facilmente da una funzione all'altra per acquisire più rapidamente intuizioni, ad esempio passando da un guadagno invertente a uno non invertente o da un differenziatore a un integratore.

Il circuito nella Figura 2 (elenco componenti qui) è stato progettato per consentire di testare, misurare ed esplorare queste configurazioni con il 100% di possibilità di successo, al costo di pochi euro. È anche possibile ottenere i file dei circuiti stampati su GitHub e ordinare la scheda tramite i servizi DKRed o PCB Builder di DigiKey.

Figura 2a. Schema Kicad sperimentale dell'amplificatore operazionale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 2b. Schema LTspice sperimentale dell'amplificatore operazionale per la simulazione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 2c. Circuito stampato sperimentale dell'amplificatore operazionale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Sono disponibili diversi tipi di amplificatori operazionali e i singoli dispositivi possono essere sostituiti installando gli zoccoli nella scheda. Gli amplificatori operazionali singoli e doppi hanno una piedinatura standard a 8 pin. I pin aggiuntivi su un singolo amplificatore operazionale servono a varie funzioni, la più comune delle quali è la compensazione dell'offset tramite un potenziometro con il suo cursore legato a uno dei rail di alimentazione; questa funzione è pienamente supportata. Uno zoccolo SIP centrale ospita un amplificatore operazionale a transistor discreto descritto in questo Esercizio di apprendimento attivo.

Prima di andare al banco di lavoro, è utile lavorare sui circuiti sulla carta, calcolando il comportamento atteso in base ai componenti selezionati. Viene fornita una simulazione LTspice con l'inserimento di tutti i valori dei componenti, un altro mezzo per prevedere il comportamento del circuito, compresa la risposta del transitorio (dominio temporale) e della c.a. (dominio della frequenza)⁴.

Infine, attiviamo l'interruttore di alimentazione e vediamo cosa fa il circuito nella vita reale. Qui, utilizzeremo ADALM2000 di Analog Devices, ma la scheda è progettata per l'uso con quasi tutti gli alimentatori bipolari da banco, i generatori di segnali e gli oscilloscopi, nonché con altri strumenti di test multifunzione come la scheda STEMlab di Red Pitaya.

Iniziamo con l'amplificatore OP97 incluso nel kit ADALP2000, che ha un intervallo di alimentazione molto ampio che va da ±2,25 V a ±20 V, e le uscite dell'alimentazione di ADALM2000 impostate di conseguenza su ±5 V. Configureremo la scheda per uno dei circuiti più interessanti, l'amplificatore differenziale, e applicheremo un'onda sinusoidale da 1 kHz e 1 Vp-p all'ingresso non invertente e un'onda a dente di sega da 100 Hz e 1 V all'ingresso invertente. Questa forma d'onda ci permette di osservare in modo inequivocabile l'inversione di polarità dell'ingresso invertente, come mostrato nelle Figure 3a (simulazione LTspice) e 3b (risultati misurati). Il canale 1 (arancione) è l'uscita dell'amplificatore operazionale, mentre il canale 2 è l'ingresso invertente al circuito.

Figura 3a. Simulazione Ltspice dell'amplificatore differenziale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 3b. Risultati misurati dell'amplificatore differenziale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Le istruzioni complete per molti altri esercizi sono allegate alla scheda sperimentale per amplificatori operazionali per ADALM2000 e sessione pratica di esperimenti sugli amplificatori operazionali (fare clic sul link per una configurazione dettagliata) per Red Pitaya STEMlab. Tutti i file di progettazione dei circuiti (in formato KiCAD) e i file Gerber sono rilasciati secondo i termini della licenza Creative Commons BY-SA; i link sono le pagine degli esercizi associate.

Ora che il circuito è pronto e funzionante, uno studente (o un ingegnere esperto che voglia fare un piccolo ripasso) può passare da una configurazione all'altra, esplorando il comportamento previsto quando tutte le regole sono rispettate e, cosa altrettanto importante, le limitazioni quando queste regole vengono infrante - saturazione dell'uscita, intervallo di modo comune in ingresso, limitazioni della larghezza di banda e una miriade di altre piccole sottigliezze che rendono l'elettronica analogica così divertente - senza doversi preoccupare di errori di traduzione degli schemi in connessioni alla basetta sperimentale, di cortocircuiti, circuiti aperti o collegamenti allentati. In seguito ci saranno molte opportunità per questo tipo di cose, sia nel laboratorio che nella vita reale.

Note a piè di pagina:

1 - https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/electronics-lab-active-filter

2 - A quanto pare questo ingegnere non ha ricevuto il promemoria: https://eater.net/8bit/

3 – Vedere: https://en.wikipedia.org/wiki/Magic_smoke

4 – L'autore non ha alcuna opinione sul fatto che sia meglio fare prima i calcoli a mano, le simulazioni o le prove al banco. Nel mondo reale, la maggior parte dello sviluppo e del debug comporta comunque l'iterazione di questi tre elementi in vari ordini.