AMPLIFICATORI OPERAZIONALI Il termine di amplificatore operazionale deriva dal fatto che, originariamente, tale dispositivo veniva usato nei calcolatori analogici per svolgere operazioni matematiche (come somme, sottrazioni, moltiplicazioni, integrali, derivate, ecc...) su segnali elettrici. I primi A.O. furono realizzati negli anni 40 con tubi a vuoto; tali dispositivi erano voluminosi e richiedevano una notevole potenza di alimentazione. L avvento del transistor bipolare, consentì un notevole miglioramento con la realizzazione di A.O. come moduli a componenti discreti. L amplificatore operazionale (AO) è un circuito integrato costituito da una rete di resistenze, capacità, diodi e transistori incapsulati in unico contenitore di plastica o di metallo, che viene collegato normalmente al circuito mediante una zoccolatura a pressione. L AO può essere definito funzionalmente come un amplificatore differenziale, cioè un dispositivo attivo a tre terminali che genera al terminale di uscita una tensione proporzionale alla differenza di tensione fornite ai due terminali di ingresso. Buona parte dei circuiti elettronici è costituita da componenti integrati, composti ciascuno da numerosi elementi attivi e passivi miniaturizzati, e nei circuiti analogici questi integrati sono quasi tutti amplificatori operazionali. L Amplificatore operazionale (A.O.) è essenzialmente, un amplificatore di tensione, avente le seguenti caratteristiche: alto guadagno; ingresso differenziale; alta impedenza di ingresso e bassa impedenza di uscita.
La relazione tra la tensione d uscita e quelle applicate ai due ingressi è espressa da : dove AOL è l amplificazione ad anello aperto (OL fl open loop), ovvero in assenza di qualsiasi collegamento esterno tra uscita e ingressi. L amplificatore operazionale deve essere alimentato: nella maggior parte dei casi si richiede un alimentazione duale, cioè sono necessarie due tensioni uguali in valore assoluto, ma di polarità opposta. In realtà l'oa possiede alcuni elementi di non idealità che nella trattazione schematica vengono trascurati. Questi sono: a) le correnti di polarizzazione agli ingressi ( I1 e I2, dell'ordine dei nanoampere); b) la tensione di sbilanciamento in ingresso Vio (1 mv in media), dovuta a piccole dissimmetrie interne; c) le resistenze di isolamento degli ingressi Ris (molto alte e quindi trascurabili); d) la resistenza di uscita Rout (frazioni di ohm).
La figura mostra come all interno è composto l amplificatore operazionale Funzionamento ad anello aperto Il modo più semplice per utilizzare un amplificatore operazionale è quello di collegare l ingresso invertente a massa e applicare all ingresso non invertente un segnale vs. La tensione d uscita in tal caso sarà espressa dalla relazione :
PRINCIPIO DEL CORTOCIRCUITO VIRTUALE Quando si parla in generale in un circuito elettrico di cortocircuito avremo 1) R=0 I=Max essendo V=R*I avremo che la tensione è nulla. Quando invece parliamo di circuito aperto abbiamo la situazione opposta ovvero: 2) Corrente nulla I=0 R= V=non è nulla in questo caso ma può assumere valori arbitrari Parlando di amplificatore operazionale esiste un principio che mi aiuta nella risoluzione. Le condizioni per poter applicare il principio CCV sono i seguenti: 1. Amplificazione ad anello aperto Avol = INFINITA. 2. Impedenza di ingresso Zin = INFINITA. 3. Presenza della reazione negativa, ovvero tramite una resistenza ponte il segnale in uscita viene riportato in ingresso sul terminale invertente. CONFIGURAZIONE INVERTENTE FASE 1 : CORTO CIRCUITO OVVERO CHE ABBIAMO 0V SUI DUE TERMINALI
L'imporre che i due terminali di ingresso siano allo stesso potenziale implica che anche l'ingresso meno dell'ao è a massa (MASSA VIRTUALE). E' facile quindi calcolare la corrente I1 nella maglia di ingresso come conseguenza circuitale. FASE 2 : VIRTUALE I DUE TERMINALI NON ASSORBONO CORRENTE L'imporre il secondo assunto, ovvero che i terminali di ingresso dell'ao non assorbono corrente, implica che, facendo il bilancio di corrente al nodo di ingresso meno, la corrente I1 scorre per intero nella resistenza R2 con verso tale che entra nel terminale di uscita dell'ao. Come conseguenza circuitale si può calcolare direttamente la tensione Vo rispetto a massa che coincide con la caduta di tensione sulla resistenza R2, cambiata di segno (visto il verso della corrente). La funzione di trasferimento ovvero il rapporto tra l uscita e l ingresso sarà pari: