Amplificatore operazionale
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Un amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale, accoppiato in continua e ad elevato guadagno (teoricamente infinito).
L'uscita è la differenza tra le due entrate V+ e V− moltiplicata per un fattore G (guadagno):
Vout = G·(V+ − V−)
Il nome è dovuto al fatto che con esso è possibile realizzare circuiti elettronici in grado di effettuare numerose operazioni matematiche: la somma, la sottrazione, la derivata, l'integrale, il calcolo di logaritmi e di antilogaritmi. Al giorno d'oggi l'amplificatore operazionale è, in genere, costituito da un circuito integrato.
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[modifica] Descrizione
In generale il circuito presenta due ingressi: uno definito invertente, indicato con il simbolo "-", l'altro definito non invertente, indicato con il simbolo "+", ed una uscita (figura A in alto a destra).
L'impedenza di ingresso presenta un valore molto elevato, teoricamente infinito, mentre l'impedenza di uscita ha valore basso, idealmente nullo.
Nella pratica questi valori, così come la banda passante e la frequenza massima di lavoro, sono determinati dalle caratteristiche costruttive dei singoli modelli di circuiti integrati.
La maggior parte degli amplificatori operazionali è progettata per lavorare con una tensione di alimentazione duale, cioè con un valore positivo ed uno negativo, simmetrici rispetto ad una massa, che può essere reale oppure virtuale. Le due tensioni non necessariamente debbono avere lo stesso valore: ad esempio la tensione positiva potrebbe essere di 15 volt, quella negativa di 7 volt, la versatilità di questi dispositivi è tale, che vi possono essere applicazioni in cui la tensione negativa può essere posta a zero, ovvero, il componente è alimentato da una tensione singola rispetto alla massa. Nell'alimentazione duale, il livello del segnale in uscita, può spaziare tra i due valori di tensione d'alimentazione, a meno di un piccolo margine, che può variare a seconda del tipo di operazionale adottato.
Quando gli ingressi sono posti allo stesso valore di tensione (cortocircuitati), l'uscita dovrebbe idealmente assumere il potenziale della massa. In realtà il valore diverge verso un estremo e la differenza di potenziale che deve essere applicata tra gli ingressi per azzerare l'uscita, è detta tensione di offset. In alcuni operazionali questa può essere corretta, agendo su una coppia di pin. Esistono operazionali progettati per lavorare con una tensione singola rispetto alla massa, uno fra i più diffusi è l'LM358.
Dal punto di vista costruttivo, l'amplificatore operazionale può essere realizzato con transistor bipolari bjt oppure mosfet, che lavorano a frequenze maggiori, con una impedenza di ingresso più elevata e un minore consumo energetico.
[modifica] Applicazioni
Esistono operazionali integrati adatti alle più svariate applicazioni, audio, onde radio, funzioni di comparatore, corrente continua, tipi ottimizzati per ottenere massima precisione, velocità di risposta, stabilità termica rispetto alla variazione della temperatura ambiente e molte altre caratteristiche.
[modifica] Schema interno
In figura riportiamo lo schema interno di un tipico amplificatore operazionale evidenziandone i blocchi funzionali. Lo schema rispecchia quello dell'amplificatore commerciale uA741, uno degli operazionali di più largo impiego.
[modifica] Applicazioni circuitali
[modifica] Amplificatore non invertente
Ciò che rende un amplificatore operazionale non invertente, è il fatto che la tensione in ingresso Vi è applicata sul morsetto contraddistinto dal segno +. Nell'amplificatore di tensione non invertente (figura C) la fase del segnale uscente corrisponde a quella del segnale entrante. Il guadagno dell'amplificatore è il rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso, che è sempre maggiore o uguale a 1 ed è determinato dal valore delle resistenze che costituiscono un partitore di tensione, secondo la formula:
[modifica] Inseguitore di tensione o buffer
La configurazione di figura B corrisponde ad un amplificatore di tensione di guadagno unitario (voltage follower o buffer), e si ha pertanto Vo = Vi. L'impedenza di ingresso è molto elevata, mentre quella di uscita è bassa, pertanto viene impiegato come disaccoppiatore di impedenza tra circuiti. Può essere considerato come un caso particolare dell'amplificatore non invertente ponendo R1 = infinito e R2 = 0, in questo modo si ottiene G = 1.
[modifica] Amplificatore invertente
Ciò che rende un amplificatore operazionale invertente, è il fatto che la tensione in ingresso Vi è applicata sul morsetto contraddistinto dal segno -. Nell'amplificatore invertente (figura D) il segnale periodico uscente viene sfasato di 180° rispetto all'ingresso, ovvero il guadagno è negativo. Nello specifico si ha:
La resistenza di ingresso dell'amplificatore risulta pari a R1, in quanto l'ingresso invertente è virtualmente collegato a massa. La resistenza di uscita dell'amplificatore completo è minore di quella dell'operazionale ed ha un valore praticamente trascurabile.
[modifica] Sommatore invertente
La semplice aggiunta all'amplificatore invertente di uno o più ingressi con il rispettivo resistore consente di realizzare un circuito che effettua la somma, cambiata di segno, dei segnali applicati, questo circuito è detto sommatore invertente (figura E). Come nel caso dell'amplificatore tenendo conto della massa virtuale al terminale invertente si può dire che l'impedenza vista dal primo generatore è uguale a R1A, quella vista dal secondo generatore è R1B, quella vista dal generatore X è uguale a R1X; inoltre la corrente I2 = IA1 + IA2 + ... + IAX. Quindi la tensione di uscita risulta:
Ponendo R2 = R1A = R1B = R1X si ha: Vo = − (V1A + V1B + ... + V1X)
Scegliendo invece opportunamente il valore di R2 è possibile amplificare la somma dei segnali di ingresso di un fattore arbitrario. Il numero dei segnali applicabili in ingresso è limitato dal valore massimo di corrente erogabile dall'uscita.
[modifica] Amplificatore differenziale
- Voce principale: Amplificatore differenziale
L'amplificatore differenziale è rappresentato in figura. Esso è la combinazione di un amplificatore non invertente e uno invertente, infatti se v1 vale zero il circuito si comporta come un amp. invertente, se v2 vale zero allora si comporta come un amp. non invertente.
Ponendo 
allora l'amplificazione differenziale dello stadio vale 
. Solitamente si pone R4=R2 e R3=R1. Quando l'amplificazione dello stadio è notevole è opportuno scegliere resistori di precisione al fine di minimizzare il CMRR, allo scopo può essere inserito un trimmer in serie a R4 (modificandone opportunamente il valore), quindi applicare in ingresso un segnale modo comune, ossia a entrambi gli ingressi, e regolare il trimmer per il minimo della tensione in uscita. Applicazioni dell'amp. differenziale sono: stadio d'ingresso per linee bilanciate, blocco di confronto in sistemi retroazionati o comunque tutte quelle applicazioni in cui sia necessario rilevare la differenza tra due grandezze.
[modifica] Oscillatore
Come per qualunque amplificatore, riportando parte del segnale in uscita opportunamente sfasato all'ingresso, si può realizzare un circuito oscillatore. Le reti di reazione vengono in genere realizzate con un circuito RC o un circuito RLC. Configurazioni tipiche sono il multivibratore che produce onde quadre e l'oscillatore a ponte di Wien, per generare onde sinusoidali.
[modifica] Filtro attivo
L'amplificatore operazionale, configurato con opportune reti reattive, permette di ottenere filtri passa alto, passa basso, passa banda e arresta banda (Notch) con buone caratteristiche di taglio, alta impedenza di ingresso e bassa in uscita.
[modifica] Integratore/derivatore
Introducendo un condensatore nel circuito di retroazione si ottiene un amplificatore in grado di eseguire operazioni di integrazione o derivazione. La frequenza minima del segnale è limitata entro determinati valori dai parametri dei componenti usati (integratore limitato), ed in particolare dal tempo di carica della rete RC, τ = RC. Superati questi limiti il circuito entra in saturazione distorcendo il segnale.
Operazione di integrazione: Nel caso in cui all'ingresso venga applicato un segnale sinusoidale, si rileverà in uscita un segnale sempre sinusoidale ma sfasato di +90°. Se all'ingresso viene applicata un'onda rettangolare, in uscita si avrà un segnale di tipo triangolare. Se all'ingresso viene applicata un'onda triangolare, in uscita si avrà un segnale costituito da rami di parabola.
[modifica] Comparatore
Sfruttando il guadagno elevatissimo presentato dall'amplificatore operazionale in assenza di retroazione, si può facilmente ottenere un comparatore di tensione. Applicando i due segnali da confrontare ai due ingressi, l'uscita assumerà un valore di tensione prossimo alla tensione positiva di alimentazione (saturazione) se l'ingresso non invertente ha tensione maggiore dell'invertente. Nel caso opposto l'uscita presenterà una tensione prossima all'alimentazione negativa.
[modifica] Comparatore con isteresi
Introducendo una moderata retroazione sull'ingresso non invertente, a sommarsi con il segnale entrante, si può ottenere un comparatore con isteresi o trigger di Schmitt. Questo tipo di comparatore è impiegato per eliminare eventuali indecisioni e commutazioni indesiderate prodotte dal rumore elettrico. In pratica la tensione di riferimento non è costante ma dipende dallo stato dell'uscita, in modo tale che la soglia di commutazione verso l'alto è superiore di un certo margine rispetto alla soglia di commutazione verso il basso. In un comparatore Trigger/Schmitt si individuano le tensioni di riferimento, e le soglie di commutazione. Queste grandezze sono legate tra di loro dalle seguenti relazioni (Con riferimento alla figura):
Trigger Schmitt Invertente:
Trigger Schmitt Non Invertente:
[modifica] Collegamenti esterni
Commons contiene file multimediali su Amplificatore operazionale
