Amplificatori operazionali

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1 mplfcator operazonal Parte (ersone el 9-5-0) mplfcatore operazonale L amplfcatore operazonale è un sposto, normalmente realzzato come crcuto ntegrato, otato tre termnal V+ Ingresso nertente Ingresso non nertente Uscta Per l suo funzonamento rchee un almentazone ( solto uale) che ene fornta meante altr ue termnal (che spesso negl schem engono sottntes) I alor ella tensone almentazone anno soltamente a 5 V a V (un alore tpco è 5 V) V-

2 mplfcatore operazonale L amplfcatore operazonale può essere rappresentato come un sposto a ue porte La porta ngresso ha come termnal l ngresso non nertente e l ngresso nertente La tensone èetta tensone ngresso fferenzale La porta uscta ha come termnal l uscta e la massa, rappresentata al noo a cu sono collegat ue generator almentazone (l amplfcatore operazonale non ha termnal collegat a massa) mplfcatore operazonale L amplfcatore operazonale è un amplfcatore tensone con resstenza ngresso n eleata (alor tpc > 0 6 resstenza uscta out pccola (alor tpc < 00 guaagno eleato (alor tpc coè 00-0 B) èetto guaagno a anello aperto (open loop gan) Normalmente è possble conserare n pratcamente nfnta e out pratcamente nulla la corrente alla porta ngresso è nulla

3 mplfcatore operazonale Un amplfcatore operazonale può essere rappresentato anche come un sposto a tre porte, metteno n eenza le tenson tra gl ngress e la massa Questa rappresentazone mette n eenza che l amplfcatore operazonale amplfca la fferenza tra le tenson applcate a suo ngress (coè s comporta come un amplfcatore fferenzale) 5 Ingresso fferenzale e moo comune Quano le tenson applcate a ue ngress sono ugual la tensone un uscta è (ealmente) uguale a zero In pratca, a causa netabl asmmetre nel crcuto, la relazone tra gl ngress e l uscta rsulta el tpo o con e non esattamente ugual Per stuare l comportamento ell amplfcatore n queste conzon conene ntrourre, oltre alla tensone ngresso fferenzale la tensone ngresso moo comune, efnta come c 6

4 7 Ingresso fferenzale e moo comune Le tenson egl ngress possono essere espresse n funzone ella tensone fferenzale e ella tensone moo comune meante le relazon che possono essere nterpretate meante l seguente crcuto equalente c c 8 Guaagno fferenzale e moo comune Introuceno le espresson preceent egl ngress nella relazone s ottene Nell ultma espressone sono stat ntroott l guaagno fferenzale e l guaagno moo comune o c c c c c o c

5 apporto reezone moo comune Il rapporto tra l guaagno fferenzale e l guaagno moo comune è etto rapporto reezone moo comune (CM, common-moe rejecton rato) CM c D solto l CM è espresso n B CM(B) 0 log 0 c Il CM è una fgura merto che nca quanto l comportamento un amplfcatore fferenzale è prossmo al comportamento eale 9 apporto reezone moo comune Gl amplfcator operazonal hanno alor el CM molto eleat (tpcamente B) Spesso è possble conserare l CM pratcamente nfnto In queste conzon s può rtenere e qun c 0 0

6 Caratterstca ngresso-uscta La caratterstca trasfermento un amplfcatore operazonale ha un anamento pratcamente lneare nell ntorno ell orgne, con penenza par a l crescere la tensone uscta satura Il alore ella tensone saturazone V sat è tpcamente nferore - V a quello ella tensone almentazone Caratterstca ngresso-uscta eale Dato che è molto grane, l nterallo alor corrsponente alla regone lneare è molto pccolo (poche ecne o centnaa V) Nella regone lneare s può rtenere che sa pratcamente nulla, l che equale a conserare l guaagno pratcamente nfnto

7 mplfcatore operazonale eale Le conserazon preceent portano alla efnzone ell amplfcatore operazonale eale, che è caratterzzato alle seguent propretà esstenza ngresso n nfnta esstenza uscta out nulla Guaagno a anello aperto nfnto Guaagno moo comune c nullo apporto reezone moo comune nfnto Larghezza bana nfnta (guaagno npenente alla frequenza) Cortocrcuto rtuale Un amplfcatore operazonale eale può essere rappresentato come un oppo bpolo per l quale la tensone e la corrente ella porta ngresso sono entrambe nulle la tensone e la corrente ella porta uscta possono assumere entrambe alor arbtrar L ngresso nertente e l ngresso non nertente sono sempre allo stesso potenzale, come se fossero collegat tra loro a un cortocrcuto Le corrent a ue termnal ngresso sono sempre nulle, mentre se ue termnal fossero effettamente unt a un cortocrcuto s arebbe, n generale, una corrente ersa a zero Per questo s ce che ue ngress sono n cortocrcuto rtuale

8 nals crcut con amplfcator operazonal eal Crcut relatamente semplc possono essere rsolt n moo retto, teneno conto e cortocrcut rtual La porta ngresso un operazonale ene conserata come un cortocrcuto per quanto rguara le tenson come un crcuto aperto per quanto rguara le corrent Procement altà pù generale possono essere ottenut come estensone e meto sstematc anals crcutale (come l metoo elle corrent magla, elle tenson noo, ecc.) In partcolare, rsulta puttosto semplce l estensone el metoo elle tenson noo 5 Metoo elle tenson noo per crcut con amplfcator operazonal eal Le corrent agl ngress egl operazonal sono nulle le equazon noo s scrono trascurano termnal ngresso egl operazonal La corrente al termnale uscta può assumere un alore arbtraro le corrent uscta anno ncluse nelle equazon noo come ncognte auslare solto l erso rfermento ene scelto entrante al punto sta ell operazonale, qun uscente al noo le corrent compaono nelle equazon noo con segno + La tensone tra gl ngress un operazonale è nulla per ogn operazonale s ee ntrourre un equazone auslara che mpone l uguaglanza elle tenson e no a cu sono collegat gl ngress 6

9 mplfcatore nertente L ngresso nertente è rtualmente a massa La tensone conce con La tensone è uguale a o La corrente entrante nell ngresso nertente è nulla le corrent e sono ugual 7 mplfcatore nertente o Guaagno tensone o V esstenza ngresso n Crcuto equalente 8

10 Sommatore nertente Il crcuto può essere conserato un estensone el caso preceente In questo caso la corrente n f è uguale alla somma elle corrent egl N resstor collegat agl ngress La tensone n uscta è una somma pesata elle tenson egl ngress 9 Sommatore nertente 0 N f k k N k f k k Il peso cascuna elle tenson ngresso k nella somma può essere mofcato n moo npenente, mofcano la resstenza k Per l k-esmo ngresso, la resstenza ngresso è uguale a k 0

11 mplfcatore non nertente causa el cortocrcuto rtuale le tenson e ue ngress sono ugual La tensone conce con La corrente entrante nell ngresso nertente è nulla le corrent e sono ugual mplfcatore non nertente o Guaagno tensone o V esstenza ngresso n Crcuto equalente

12 Insegutore tensone Crcuto equalente La tensone uscta conce con la tensone ell ngresso nertente che, a sua olta, conce con la tensone a causa el cortocrcuto rtuale Guaagno tensone: esstenza ngresso: n esstenza uscta: out 0 Insegutore tensone Spesso questo crcuto ene mpegato come separatore (buffer) Il blocco ee una resstenza carco pratcamente nfnta Il blocco ee una sorgente con resstenza pratcamente nulla La tensone o conce con la tensone a uoto el blocco, npenentemente a alor ella resstenza uscta el blocco e ella resstenza ngresso el blocco

13 mplfcatore fferenzale Il crcuto può essere sto come una combnazone elle confgurazon nertente e non nertente La tensone n uscta può essere alutata meante l prncpo sorapposzone egl effett 5 mplfcatore fferenzale Contrbuto Dato che la corrente entrante nell ngresso nertente è nulla, anche le corrent (e qun la tensone) e sono nulle Le tenson egl ngress ell amplfcatore operazonale sono nulle Dal punto sta l crcuto s comporta come un amplfcatore nertente 6

14 mplfcatore fferenzale Contrbuto Dato che la corrente entrante nell ngresso non nertente è nulla, e formano un parttore a cu è applcata la tensone La tensone all uscta el parttore costtusce l ngresso un amplfcatore non nertente 7 mplfcatore fferenzale Combnano ue contrbut s ha o Per ottenere un amplfcatore fferenzale occorre fare n moo che coeffcent e sano ugual e oppost Questo s erfca se (spesso s pone, ) In queste conzon s ha o o 8

15 9 CM Se rapport tra resstor non sono ugual, la tensone uscta è In queste conzon, l guaagno moo comune è erso a zero Nel caso generale l guaagno fferenzale è Qun l rapporto reezone moo comune ale o c CM 0 esstenza ngresso fferenzale La resstenza tra ue termnal ngresso, resstenza ngresso fferenzale può essere alutata collegano all ngresso un generatore tensone Questo crcuto non consente ottenere nello stesso tempo alor eleat ella resstenza ngresso e el guaagno Se alor e sono gran, alor rchest a e per ottenere un guaagno eleato possono rsultare troppo gran (e qun non essere faclmente realzzabl)

16 mplfcatore fferenzale con operazonal Un amplfcatore fferenzale con prestazon mglor può essere ottenuto meante questa confgurazone Questo crcuto è noto anche come amplfcatore per strumentazone (nstrumentaton amplfer) mplfcatore fferenzale con operazonal stao stao

17 mplfcatore fferenzale con operazonal causa e cortocrcut rtual, la tensone sulla resstenza conce con la tensone fferenzale n ngresso Dato che le corrent egl ngress nertent sono nulle, la corrente n crcola anche nelle ue resstenze ll uscta el prmo stao s ha la tensone Questa tensone costtusce l ngresso el secono stao, che è un amplfcatore fferenzale realzzato con un sngolo operazonale e ha un guaagno par a /, qun o mplfcatore fferenzale con operazonal Se s applca n ngresso un segnale moo comune C, la tensone egl ngress egl operazonal el prmo stao è uguale a C La tensone è nulla, qun non crcola corrente né n né nelle resstenze ll ngresso el secono stao s ha la tensone moo comune C

18 mplfcatore fferenzale con operazonal Una tensone moo comune n ngresso ene trasferta rettamente all ngresso el secono stao Una tensone fferenzale n ngresso ene trasferta al secono stao moltplcata per l fattore Complessamente s ottene un amplfcatore fferenzale che ha lo stesso guaagno moo comune el secono stao, ma ha un guaagno fferenzale maggore S ottene un CM maggore quello el solo secono stao Inoltre, rspetto a un amplfcatore fferenzale con un solo operazonale s ha una resstenza ngresso maggore (ealmente nfnta) s ha la possbltà mofcare l guaagno mofcano l alore una sola resstenza ( ) 5 Segnal blancat e sblancat Un segnale n tensone può essere rappresentato alla tensone un noo rspetto al noo massa segnale sblancato (o sngle-ene) alla tensone tra ue no nessuno e qual conce con l noo massa segnale blancato o fferenzale I segnal sblancat n genere rcheono crcut pù semplc I segnal blancat sono pù robust ne confront sturb consentono prestazon mglor n termn lneartà n sstem realzzat meante spost non lnear n molt cas nteresse pratco rappresentano l tpo segnale sponble all uscta e trasuttor 6

19 Segnal blancat e sblancat n presenza sturb In presenza el sturbo, la tensone all ngresso el blocco b è b a Segnale sblancato a Dsturbo b In presenza el sturbo, la tensone all ngresso el blocco b è b a a a Segnale blancato a Dsturbo b Se l sturbo agsce n moo smle su ue conuttor, cn tra loro, s ha, qun è molto pccolo rspetto a e 7 Conersone tra segnal blancat e sblancat Un amplfcatore fferenzale può essere conserato un sposto che conerte un segnale blancato n uno sblancato nche la conersone n senso opposto può essere eseguta n ar mo meante amplfcator operazonal Esempo o o o o o 8

20 Conerttore corrente-tensone S f o f s E un amplfcatore a transresstenza causa el cortocrcuto rtuale la tensone e qun la corrente S sono nulle La tensone n uscta è npenente a S (l crcuto s comporta come se all ngresso fosse collegato solo l generatore eale S ) 9 Conerttore tensone-corrente L n E un amplfcatore a trasconuttanza Il carco ee essere flottante, coè non può aere termnal collegat fscamente a massa (anche se un termnale è collegato a una massa rtuale) se s collegasse a massa l ngresso nertente la corrente L s annullerebbe 0

21 Conerttore tensone-corrente con carco rferto a massa Se la resstenza carco ha un termnale a massa s può utlzzare questo crcuto Con una scelta opportuna e alor elle resstenze s può fare n moo che la corrente nel carco sa npenente al alore L Conerttore tensone-corrente con carco rferto a massa S può elmnare la penenza L a L poneno In queste conzon s ottene L L L L L L L L L