L amplificatore operazionale

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1 L amplificatore operazionale terminali di input terminale di output Alimentazioni: massa nodo comune

2 L amplificatore operazionale ideale Applichiamo 2 tensioni agli input 1 e 2 L amplificatore è sensibile alla differenza v 2 v 1 : V out A( v ) 2 v1 Terminale 2: terminale non invertente (+) Terminale 1: terminale invertente (-)

3 Le correnti che entrano nei terminali di input sono nulle Impedenza di input infinita V o output prodotta da un generatore ideale indipendentemente dal carico Impedenza di output nulla

4 L amplificatore operazionale ideale Guadagno A (guadagno differenziale o a loop aperto) A Ma se A= quanto vale il segnale di output???

5 La configurazione invertente Il guadagno di loop chiuso è ingresso 50mV/div G v v O I uscita 2V/div

6 Riassunto dell analisi del circuito Essendo A=, V 2 -V 1 = V out /A 0 Poichè l impedenza di input è infinita, si ha I 1 = I 2 Quindi I 2 =I 1 =V in /R 1 e Vout = -I 2 R 2 = -V in R 2 /R 1

7 Resistenza di input e di output Z in =R 1 -R 2 /R 1 V in Circuito equivalente Guadagno G = - R 2 /R 1 Impedenza di input Z in = V in /I 1 = R 1 Impedenza di output Z out = 0

8 L integratore invertente Abbiamo i 1 (t) = v in (t)/r Quindi v out ( t) v C ( t) V C 1 C t 0 i ( t) dt 1 V C 1 RC t 0 v in ( t) dt Il circuito fornisce una tensione di output proporzionale all integrale dell input.

9 L integratore invertente Applicando all ingresso dell integratore un gradino di tensione di ampiezza V in l uscita diverrà V out = -(V in /RC) t Ovvero sarà una tensione che varia linearmente in funzione del tempo Vin C Vout V in R V out Un circuito di questo tipo viene quindi anche chiamato generatore di rampa, e trova largo impiego ad esempio negli oscilloscopi, nei convertitori A/D dei voltmetri digitali, ecc.

10 Somma pesata di tensioni

11 Somma pesata di tensioni

12 Applicazione: digital to analog converter (DAC) Esempio a 4 bit

13 L amplificatore non invertente Abbiamo sempre V + =V - e le correnti entranti negli input sono nulle a causa dell impedenza infinita V V out out I 2 V V in in I 1 V R I 2 R 2 R 1 R in V in R R 2 1 ingresso 50mV/div uscita 2V/div

14 Resistenza di input e di output Circuito equivalente I parametri della configurazione invertente sono dunque G 1 R2 / R1 Z Z in out 0

15 Voltage follower Configurazione di amplificatore non invertente con R 1 = e R 2 =0. Quindi: V out R 2 Vin 1 R1 V in L impedenza di input è infinita mentre quella di output nulla. Questo amplificatore viene impiegato come adattatore di impedenza

16 Voltage follower E un circuito in grado di riprodurre in uscita esattamente il segnale d ingresso. Viene anche definito un buffer a guadagno unitario. ingresso 5V/div il segnale è invariato uscita 5V/div Spesso occorre infatti separare (disaccoppiare) il carico dalla sorgente del segnale, ad esempio quando occorre un adattamento di impedenza fra l uno e l altro.

17 Slew rate L amplificatore operazionale reale Il massimo rate con cui può variare il segnale di output è SR dv dt out max

18 Full power bandwidth L amplificatore operazionale reale Consideriamo un segnale sinusoidale v I V I sin t Il rate max di cambiamento del segnale è dvi V I dt max Output teorico output di un op-amp Limitato dallo slew-rate Full power bandwidth: frequenza oltre cui il segnale di output massimo comincia a presentare distorsione a causa dello slew-rate f M SR V 2 out,max Es. posto SR = 1V/s V out,max = 10 V f M =16 khz

19 Tensione di offset L amplificatore operazionale reale Come effetto dei mismatch degli stadi differenziali di input esiste una tensione di offset V OS anche se gli input sono collegati a massa Questo offset appare nell output amplificato Op-amp reale V out R 1 2 R VOS 1 Op-amp senza offset Il valore di V OS dipende dalla tecnologia: 10-5 per BJT 10-4 per BJFET e CMOS Alcuni operazionali dispongono di appositi pin per l azzeramento dell offset.

20 CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) L amplificatore operazionale reale Proprio poiché l operazionale è progettato per amplificare la differenza fra le due tensioni d ingresso, esso non deve amplificare le tensioni di modo comune, ovvero riferite a massa. Esiste quindi un parametro, detto rapporto di reiezione di modo comune o CMRR che esprime il rapporto fra l amplificazione dei segnali differenziali e quelli di modo comune. CMRR = Ad / Ac dove Ad è il guadagno differenziale e Ac quello di modo comune Se l amplificatiore è ideale CMRR= L amplificatore ideale amplifica solo la tensione di modo differenziale

21 L amplificatore operazionale reale Il CMRR è un parametro importante per valutare la bontà di un amplificatore - tanto più grande è il CMRR tanto più viene amplificata solo la differenza V + -V - e non anche la tensione di modo comune - Valori tipici del CMMR variano da 80 db (10 4 ) a 120 db (10 6 ) e variano considerevolmente con la frequenza

22 Trigger di Schmitt (comparatore con isteresi) In molte situazioni pratiche, è possibile che sulla linea d ingresso compaiano delle fluttuazioni di tensione indesiderate (rumore) Segnale sinusoidale a bassa frequenza applicato all ingresso di un comparatore utilizzato come rivelatore di livello zero L andamento irregolare della tensione d uscita si verifica perché, a causa del rumore, il comparatore è costretto a commutazioni improprie. L instabilità si innesca ogni volta che la V in si avvicina alla tensione di riferimento.

23 Non-Bistable Sequential Circuits Schmitt Trigger In Out V out V OH Per rendere il comparatore meno sensibile al rumore si può impiegare la tecnica V OL chiamata isteresi, basata sulla retroazione positiva V M V M+ V in transcaratteristica con isteresi

24 Noise Suppression using Schmitt Trigger V in V out V M V M t 0 t t 0 + t p t Quando la tensione d ingresso sale (passa da un livello minore a uno maggiore), il livello della tensione di riferimento risulta più elevato di quando la tensione d ingresso scende (passa da un livello maggiore ad uno minore)