Elettronica Circuiti con amplificatori operazionali; comparatore; conversione analogico-digitale

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1 Elettronica Circuiti con amplificatori operazionali; comparatore; conversione analogico-digitale Valentino Liberali Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Milano Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo 2015 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 Contenuto 1 Principio di terra virtuale 2 Amplificatore invertente 3 Amplificatore non invertente 4 Amplificatore della differenza 5 Sommatore 6 Inseguitore (buffer) di tensione 7 Comparatore 8 Convertitore analogico-digitale Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 1

2 Programma parte 2 2 Circuiti in continua. u.... v. Circuiti con amplificatori operazionali. w. Comparatore. x. Conversione analogico-digitale. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 Principio di terra virtuale Un circuito contenente un amplificatore operazionale ideale con retroazione negativa è stabile, e vale il principio di terra virtuale: V V = 0 La tensione in uscita all amplificatore operazionale è: che può assumere qualsiasi valore. V o = E (V V ) = 0 Siccome l amplificatore operazionale ideale ha resistenza di ingresso infinita, le correnti negli ingressi sono nulle: I = I = 0 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 2

3 etroazione negativa In un circuito contenente un solo elemento attivo (amplificatore operazionale) e componenti passivi, il segno della retroazione è determinato dal segno del terminale a cui viene riportato il segnale di uscita. Per circuiti con in solo anello di retroazione e più amplificatori, bisogna determinare i segni di ciascuno stadio di amplificazione lungo l anello, e fare il prodotto dei segni. Per circuiti con più anelli di retroazione, in generale bisogna usare il metodo dei diagrammi di flusso (o grafi di Mason); solo in alcuni casi è possibile determinare il segno della retroazione in modo immediato. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 Amplificatore invertente 2 Un solo amplificatore operazionale ideale, rete di retroazione passiva tra uscita e ingresso invertente ETOAZIONE NEGATIVA; TEA VITUALE V = V = 0 e I = I = 0 Il circuito si risolve facilmente applicando la KCL all ingresso invertente ( ). Prendendo il verso delle correnti da sinistra verso destra, si ha: I 1 = I 2 = 2 = 2 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 3

4 Amplificatore non invertente - primo esempio 2 ete di retroazione come nel caso dell amplificatore invertente ETOAZIONE NEGATIVA; TEA VITUALE V = V = e I = I = 0 Procedendo come nel caso precedente, dalla KCL I 1 = I 2 si ricava: = v ( IN = 1 ) 2 2 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 Amplificatore non invertente - secondo esempio (1/3) 2 2 V = V e I = I = 0 Siccome in questo circuito nessuno dei due ingressi () e ( ) dell amplificatore è collegato alla tensione di ingresso o ad una tensione costante, bisogna calcolare la corrente nella maglia di ingresso: i IN = 2 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 4

5 Amplificatore non invertente - secondo esempio (2/3) 2 2 Per il principio di terra vitruale: V = V = 2 2 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 Amplificatore non invertente - secondo esempio (3/3) 2 2 Dalla KCL all ingresso ( ), si ricava: = 1 2 ( vin 2 2 ) = 2 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 5

6 Amplificatore della differenza v 1 2 v 2 2 I = I = 0 e V = 2 v 2 = V 2 ( 1 v 1 v ) 2 2 = 1 ( v ) = 2 (v 2 v 1 ) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 Sommatore (invertente) v n v 2 v 1 2 I = I = 0 e V = V = 0 = 2 (v 1 v 2 v n ) (il risultato si calcola immediatamente, applicando il principio di sovrapposizione degli effetti) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 6

7 Buffer di tensione I = I = 0 e V = V = Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 Comparatore di tensione V V b Si tratta di un elemento simile all amplificatore operazionale, progettato in modo da avere un uscita digitale ad un bit b: { 1 se V b = > V 0 se V < V Il comparatore è un elemento fondamentale per convertire segnali analogici in segnali digitali. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 7

8 Grandezze analogiche e digitali Un grandezza elettrica è analogica quando il suo valore può variare con continuità, potendo assumere un infinità di valori possibili (entro un certo intervallo). Un grandezza è digitale quando il suo valore varia in modo discreto (cioè a passi), potendo assumere soltanto un numero finito di valori possibili. La grandezza digitale più semplice è il bit, che può assumere solo i valori 0 (zero) e 1 (uno), che in genere corrispondono ai valori bassi e alti di una grandezza fisica che può variare con continuità. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 Convertitore analogico-digitale Il convertitore analogico-digitale (o convertitore A/D, in inglese analog-to-digital converter o ADC) è un circuito elettronico che riceve in ingresso una grandezza elettrica e un altra grandezza di riferimento (di solito, due tensioni), e produce in uscita un numero che rappresenta la codifica digitale della grandezza elettrica di ingresso. V in V ref A D N bit Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 8

9 Convertitore A/D flash a 3 bit (1/2) V ref V in V 7 b 7 V 6 b 6 V 5 b 5 V 4 V 3 b 4 b 3 DECODE 3 bit d 0 d 1 d 2 V 2 b 2 V 1 b 1 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 Convertitore A/D flash a 3 bit (2/2) La serie di 8 resistenze uguali () divide la tensione di riferimento V ref in 8 intervalli di tensione uguali: V 1 = 1 8 V ref, V 2 = 2 8 V ref,..., V 7 = 7 8 V ref. Il primo comparatore confronta la tensione di ingresso V in con la tensione V 1, e il bit b 1 sarà 1 se V in > V 1, e 0 altrimenti; il secondo effettua il confronto con la tensione V 2, e così via. I 7 bit (b 1, b 2,..., b 7 ) costituiscono un codice termometrico (perché si accendono dal più basso al più alto, al variare della tensione di ingresso V in ). Il decoder è un circuito logico combinatorio che dal codice termometrico ricava i 3 bit di uscita (d 2 d 1 d 0 ) in codice binario. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti con op-amp; comparatore; conversione A/D 25 marzo / 18 9