Amplificatori Differenziali

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1 Amplificatori Differenziali nei simboli non si esplicitano gli alimentatori DC, cioè Normalmente i circuiti che realizzano l amplificatore differenziale e operazionale non contengono un nodo elettricamente connesso al nodo di massa. G. Martines 1

2 Amplificatore differenziale ideale G. Martines 2

3 Amplificatore differenziale reale Guadagno di tensione di un amplificatore differenziale reale L Amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale con guadagno di tensione molto elevato. G. Martines 3

4 Concetto di cortocircuito virtuale Nella ipotesi che la tensione di uscita v o sia finita: mentre le correnti di ingresso sono nulle nella ipotesi R ID = NOTA: la presenza della controreazione garantisce che la tensione di uscita sia finita; basta considerare che il guadagno ad anello chiuso può essere espresso da: A f = v v o s = A 1+ Aβ A = Aβ 1 β G. Martines 4

5 Ipotesi fondamentali per gli Amplificatori Operazionali ideali: Altre proprietà degli Amplificatori Operazionali ideali: G. Martines 5

6 Amplificatore Operazionale in configurazione invertente G. Martines 6

7 Con il concetto di cortocircuito virtuale: Calcolo resistenza di uscita G. Martines 7

8 Amplificatore Operazionale in configurazione non-invertente G. Martines 8

9 Analisi della configurazione non-invertente G. Martines 9

10 Modello equivalente configurazione non-invertente G. Martines 10

11 AMPLIFICATORE OPERAZIONALE REALE Identificazione dello stadio amplificatore G. Martines 11

12 GUADAGNO AD ANELLO APERTO FINITO Consideriamo uno stadio non invertente: G. Martines 12

13 Errore sul cortocircuito virtuale: Errore sul guadagno ad anello chiuso (Gain Error): ed in termini percentuali (Fractional Gain Error): G. Martines 13

14 RESISTENZA DI USCITA NON NULLA G. Martines 14

15 RESISTENZA DI INGRESSO FINITA Configurazione non invertente: G. Martines 15

16 RESISTENZA DI INGRESSO FINITA Configurazione invertente: G. Martines 16

17 RESISTENZA DI INGRESSO FINITA Configurazione invertente: G. Martines 17

18 G. Martines 18

19 RAPPORTO DI REIEZIONE DI MODO COMUNE FINITO G. Martines 19

20 INSEGUITORE DI TENSIONE E CMRR Gain Error: G. Martines 20

21 RESISTENZA DI INGRESSO DI MODO COMUNE G. Martines 21

22 TENSIONE DI OFFSET ALL INGRESSO G. Martines 22

23 CORRENTE DI POLARIZZAZIONE E OFFSET DI CORRENTE ALL INGRESSO B ( I I ) 2 I = + B2 B1 G. Martines 23

24 COMPENSAZIONE DELLA CORRENTE DI POLARIZZAZIONE V T O = R2 I B2 I B1 G. Martines 24

25 COMPENSAZIONE DELLA CORRENTE DI POLARIZZAZIONE IN AMPLIFICATORI AC NOTA: La presenza della R 3, se necessaria, riduce la resistenza di ingresso nella configurazione non invertente G. Martines 25

26 LIMITAZIONE DELLA CORRENTE DI USCITA La corrente di uscita di un amplificatore deve essere limitata per evitare una eccessiva dissipazione di potenza nei circuiti (sovraccarico) La limitazione su I o impone vincoli sulla R L ma anche sulla rete di reazione. G. Martines 26

27 RISPOSTA IN FREQUENZA Gli operazionali si progettano in modo da avere elevato guadagno DC e risposta in frequenza a singolo polo: A 0 ω B è il prodotto guadagno-larghezza di banda GBW (A 0 guadagno in continua, ω B banda a 3 db) ω T è la frequenza angolare di guadagno unitario (o di transizione) per ω >> ω B : A( s) = A0ω s G. Martines 27

28 RISPOSTA IN FREQUENZA NON INVERTENTE G. Martines 28

29 NOTA: A Aβ = ovvero in db 1 β Aβ db = A db 1 β per ω < ω H Aβ > 1 e A v (jω) = 1/β per ω > ω H Aβ < 1 e A v (jω) = ω T /ω per ω = ω H Aβ = 1 db G. Martines 29

30 RISPOSTA IN FREQUENZA INVERTENTE In questo caso la reazione è parallelo-parallelo e quindi il guadagno è la transresistenza, ma in termini di guadagno di tensione si può scrivere in modo analogo al caso non invertente: NOTA: A V (0) = 1 1/β G. Martines 30

31 G. Martines 31

32 SLEW RATE È una caratteristica del funzionamento a largo segnale degli amplificatori operazionali Modello equivalente di un amplificatore operazionale G. Martines 32

33 Modello equivalente di un amplificatore operazionale reale SR = dv dt O max = I max C G. Martines 33

34 LARGHEZZA DI BANDA A PIENA POTENZA d( V i sin ω t) dt = ωv cosω t f i M = SR 2π VO max Per sinusoidi di ampiezza minore di VOmax vale ancora la relazione: = max. V V f f O O M G. Martines 34

35 SOMMATORE PESATO G. Martines 35

36 AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE R v v I IR v v v R R R v O = = + = v R R R R v R R v O = G. Martines 36

37 AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE 1+ R2 R1 R2 R1 R2R3 R1R4 per v 1 = v 2 = v CM : v O = vcm = 0 1+ R3 R4 R2 che si ha per R 2 /R 1 = R 4 /R 3 ed allora: v O = ( v2 v1 ) R Resistenza di ingresso differenziale 1 R ID = 2R 1 G. Martines 37

38 Resistenze di ingresso dell'amplificatore differenziale Svantaggio: R IN1 = R 1 è diversa da R IN2 = R 1 + R 2 i generatori vedono resistenze diverse (i 1 i 3 ) non si ottiene facilmente un guadagno variabile G. Martines 38

39 AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE PER STRUMENTAZIONE G. Martines 39

40 CONVERTITORE CORRENTE-TENSIONE V O = I S R 2 la configurazione invertente con generatore di segnale nella forma di Norton. AMPLIFICATORE PARAFASE A v = 2 ma l uscita non ha punti a massa Convertitore di segno: A v = -1 (configurazione invertente con R 2 = R 1) G. Martines 40

41 INVERTENTE AD ALTA RESISTENZA G. Martines 41

42 RETE DI REAZIONE REATTIVA Considerazioni valide per tutte configurazioni viste. G. Martines 42

43 SFASATORE Invertente: se Z ( s) Z 2 ( s) 1 = la differenza di fase fra segnale di uscita e di ingresso vale: π + Z2( s) Z1( s) differenziatore: (più facile la sintesi) V V i 1 = s s + CR CR o 1 Φ = π 2 tan 1 ( ωcr) G. Martines 43

44 AMPLIFICATORE PASSA-BASSO G. Martines 44

45 AMPLIFICATORE PASSA-ALTO Z 1 sc ( s) = R1 Z 2 ( s) = R2 1 + A v ( s ) Z = Z 2 1 sr2c = sr C = R R 2 1 s 1 s + R C 1 = A o s s + ω L dove A o R R 2 = e 1 ω 1 R C L = 2 πf L = 1 G. Martines 45

46 INTEGRATORE DI MILLER G. Martines 46

47 DERIVATORE G. Martines 47