Appunti di ELETTRONICA Amplificatore operazionale (amp. Op oppure A. O.) - + µa741 Cos'è l'amplificazione: Amplificare un segnale significa aumentarne il livello e di conseguenza la potenza. Il fattore di amplificazione corrisponde al rapporto tra il segnale di uscita e il segnale d ingresso, le grandesse IN e OUT possono essere tensioni (in Volt) e correnti (in Ampere). Perchè si amplifica: Allora, generalmente si amplifica perchè si deve "potenziare" un segnale troppo debole, per esempio in un'antenna radio, il segnale che arriva è molto debole in termini di Potenza, Amplificandolo diventa utilizzabile per il nostro scopo e quindi riproducibile dalle casse. In realtà gli amplificatori hanno anche altri scopi, quando si utilizzano amplificatori operazionali è possibile fare operazioni matematiche sui segnali o condizionamenti. Pensa altrimenti a dei trasduttori o in generale sensori che hanno uscite in corrente molto basse (ordine magari dei ma), magari da acquisire da un sistema digitale a 5V, Il segnale deve essere trasformato in tensione e amplificato in modo che stia sul nostro ordine di grandezza, ossia l'ordine dei Volt. Gli elementi fondamentali di un amplificatore può essere : BJT, FET oppure l amplificatore operazionale. AMP. OP. SCHEMI E FORMULE APPLICAZIONI LINEARI DELL A.O. Proprietà - Resistenza d ingresso infinita, R i = implica che, le correnti in ingresso sono nulle I + = I - = 0 - Guadagno open loop infinito A =, V - = V + - Resistenza R o di uscita è uguale a zero, R o = 0 vuol dire che, la corrente di uscita dell amplificatore è indipendente dal carico. - la banda passante B dell A. O. è infinita, vuol dire che l A. O. accetta tutte le frequenze. Amplificatore non invertente: il segnale d ingresso è applicato sul morsetto positivo non invertente dell A.O. ed ha un guadagno di tensione G V positivo Circuito equivalente A. O. ideale Amplificatore invertente: il segnale d ingresso è applicato al morsetto negativo invertente dell A.O. ed ha un guadagno di tensione G V negativo e che i due segnali IN e OUT sono sfasati di 180. 1
guadagno di tensione G V positivo e che i due segnali IN e OUT sono in fase. guadagno di tensione G V = V U / V i = (1 + R 2 / R 1 ) guadagno di tensione G V = - R 2 / R 1 Inseguitore di tensione adattatore separatore Si ottiene dall amplificatore non invertente. Ha un guadagno unitario, e l uscita uguale all ingresso Vi = Vu Il guadagno di tensione G V = 1 Amplificatore differenziale: è un circuito che amplifica la differenza tra due segnali. Convertitore corrente/tensione (I/V) Un circuito per la conversione dei piccoli segnali in corrente (> 0,01 microampere) a una tensione più facilmente misurabile proporzionale. Alcuni applicazioni è nel circuito di condizionamento di un sistema di acquisizione dati. V U = - R f. I Sommatore invertente a due ingressi Se R = R1 = R2 allora: Vu = - ( V1 + V2). Sommatore non invertente a due ingressi R A = R B e R 1 = R 2 si ha: V U = V 1 + V 2 Per R1 = R3 e R2 = R4 si ha: Applicazioni non lineare Comparatore invertente mette a confronto un segnale di ingresso con uno di riferimento Vr, l uscita è un segnale digitale. Vu = A.(Vr Vi) Nel caso Vi<Vr, la Vu = +Vsat. Invece quando Vi>Vr, la Vu= -Vsat Comparatore NON invertente Vu = A.(Vi Vr) Nel caso Vi > Vr, la Vu = +Vsat. Invece quando Vi < Vr, la Vu = - Vsat. Nel caso la tensione di riferimento Vr = 0 Allora, il comparatore viene chiamato a zero. Integratore ideale Derivatore ideale 2
FILTRO ATTIVO passa basso non invertente FILTRO ATTIVO passa alto non invertente Fig. 1 Fig. 2 Filtro attivo passa-basso invertente Gv = Vu/Vi Oppure Gv = - R2 / R1. La frequenza di taglio ft = 1 / (2.π. R 2.C) filtra ed amplifica le frequenze al di sotto di ft Filtro attivo passa-alto invertente Gv = - R2 / R1 e in decibel Gv db = 20.log G v La frequenza di taglio f t = 1 / (2.π.R1.C). filtra e amplifica per frequenze maggiori di ft 3
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9) Considerando il circuito rappresentato in figura 1.83, calcolare la tensione V 1 e quella di uscita Vu sapendo che Vs = 1,5 [V], R 1 = 1[kΩ], R 2 = 10[kΩ] e R s = 500[Ω]. Indicare il valore massimo della tensione di ingresso che non provochi distorsione in uscita per V CC = ± 10 [V]. 10) 11) Calcolare il guadagno dello stadio amplificatore di figura 1.87, per R = 10 R 1 12) 13) Analizzando il circuito di figura 1.86, determinare i valori delle resistenze R 1 e R 2 supponendo che R L = 10[kΩ], R 3 = R 4 = 5[kΩ], I u =0,5 [ma], V S = 2[V] e I = 0,1 [ma]. 5
14) 15) Un amplificatore non invertente realizzato con amp. Op. ha R 1 = 22 [kω] e la resistenza di retroazione R f = 150 [kω] ed alimentato a ±12[V]. Disegnare il circuito, calcolare il fattore di amplificazione e l ampiezza massima del segnale di ingesso per cui la risposta non è deformata a causa della saturazione. 16) Un amplificatore invertente realizzato con amp. Op.. ha R 1 = 15 [kω] e la resistenza di retroazione R f = 300 [kω] ed alimentato a ±12[V]. calcolare il guadagno sia in scala naturale che in decibel e la masima ampiezza del segnale in ingresso per cui l uscita non ha distorsioni a causa della saturazione. 17) Sull ingresso di un integratore ideale con R = 10 [kω], C = 20 [nf] si applica una tensione sinusoidale di ampiezza 25[mV] e frequenza 10 3 [Hz]. Calcolare il segnale in uscita (ampiezza e fase). 18) Un derivatore ideale con amp op ha R = 100 [kω], C = 100 [nf]. Determinare la risposta ad un segnale sinusoidale di ampiezza 15 [mv] e frequenza 100 [Hz]. 19) come si possono ricavare le tensioni duali necessarie per alimentare un A. O.? 20) Quale relazione lega le tensioni d ingresso e quella d uscita di un amp. Op.? 21) Quali sono le caratteristiche o proprietà di un amp. Op. ideale e quali conseguenze comportano agli effetti dell analisi dei circuiti? 22) Perché un amp. Op. non può essere utilizzato come amplificatore, senza l aggiunta di altri componenti? 23) Che cos hanno in comune tutte le configurazioni lineari ad amp. Op.? 24) Che cosa si intende per cortocircuito virtuale tra gli ingressi di un amp. Op.? sotto quali condizioni si verifica? 25) Spiegare che effetto ha la retroazione negativa sull amp. Op.? 26) Disegnare gli schemi e ricavare le espressioni dei guadagni degli amplificatori invertente e non invertente. In che cosa differiscono i due amplificatori? 27) Dimensionare un amplificatore con guadagno G V = -25. sapendo che le tensioni di saturazioni valgono ± V sat = ± 15 [V], calcolare il massimo valore di picco del segnale d ingresso che non provoca distorsione. 6