ELETTRONICA. L amplificatore Operazionale

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1 ELETTRONICA L amplificatore Operazionale

2 Amplificatore operazionale Un amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale, accoppiato in continua e ad elevato guadagno (teoricamente infinito). Il nome di amplificatore operazionale dato a questo dispositivo elettronico 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. Descrizione In generale il circuito presenta due ingressi, uno definito invertente ed indicato con il simbolo "-", l'altro definito non invertente ed indicato con + ed una uscita. 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.

3 Figura 1. Piedinatura di un amplificatore operazionale commerciale: LM741 La maggior parte degli operazionali è progettata per lavorare con una tensione di alimentazione duale, cioè con un valore positivo ed uno negativo simmetrici rispetto ad una massa. Alcuni operazionali (ad esempio l'lm358) sono progettati per poter lavorare con una tensione singola rispetto alla massa. Il valore della tensione in uscita può spaziare tra le due tensioni di alimentazione, a meno di un piccolo margine che può variare a seconda del modello fisico. Figura 2. Regolazione dell'offset negli operazionali.

4 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 offset, e in alcuni amplificatori operazionali essa può essere corretta agendo su terminali apposti. Dal punto di vista costruttivo l'amplificatore operazionale può essere realizzato con transistor bipolari oppure mosfet, che permettono di avere impedenza di ingresso più elevata ed un minore consumo energetico. Esistono circuiti integrati adatti per applicazioni audio, in radiofrequenza, in corrente continua, ecc.; si possono avere modelli ottimizzati per ottenere massima precisione, velocità di risposta, stabilità rispetto alla variazione di temperatura o anche altre caratteristiche. 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.

5 Figura 3. (1) Stadio differenziale di ingresso, (2) Stadio di guadagno Single-Ended, (3) Stadio di potenza Push-Pull (uscita)

6 Applicazioni circuitali 1. 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: Figura 4. Configurazione non nvertente. Se al posto di R2 si usa una resistenza con valore nullo e si elimina R1 si ottiene un amplificatore con guadagno 1 (buffer o inseguitore): questa configurazione viene utilizzata come adattatore di impedenza.

7 2. 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 -. Figura 5. Configurazione invertente. 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: Amplificatore differenziale Schema di un amplificatore differenziale

8 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. Inseguitore La configurazione di figura B corrisponde ad un amplificatore di tensione di guadagno unitario (voltage follower o buffer), e si ha pertanto Vo = Vi.

9 L'impedenza di ingresso è molto elevata, mentre quella di uscita è bassa, pertanto viene impiegato come disaccoppiatore di impedenza tra circuiti. 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. Oprazione 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. 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.

10 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:

11 Trigger Schmitt Non Invertente: