Amplificatore operazionale

Un amplificatore operazionale è un amplificatore elettronico ad elevato guadagno (teoricamente infinito).

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Opamp_diagrams_and_pinout.png

Schema circuitale (A), circuiti applicativi e pinout di un integrato (F) amplificatore operazionale

Il nome è dovuto al fatto che con esso è possibile realizzare circuiti elettronici in grado di effettuare numerose operazioni matematiche: la somma, la sottrazione, la derivazione, l'integrazione, il calcolo di logaritmi e di antilogaritmi. Al giorno d'oggi l'amplificatore operazionale è, in genere, costituito da un circuito integrato.

Indice

1 Descrizione

2 Applicazioni circuitali

2.1 Amplificatore non invertente
2.2 Amplificatore invertente
2.3 Amplificatore differenziale
2.4 Sommatore
2.5 Inseguitore
2.6 Oscillatore
2.7 Filtro attivo
2.8 Integratore/derivatore
2.9 Comparatore
2.10 Comparatore con isteresi

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 (figura A in alto a destra).
L'impedenza di ingresso presenta un valore molto elevato, teoricamente infinito, mentre l'impedenza di uscita ha valore basso, idealmente nulla. 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.
L'alimentazione del circuito deve essere di tipo duale, cioè con un valore positivo ed uno negativo simmetrici rispetto ad una massa, che può essere reale oppure virtuale. Il valore della tensione in uscita può spaziare tra le due tensioni di alimentazione, a meno di un piccolo margine.
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 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 frequenze di lavoro maggiori, impedenza di ingresso più elevata ed un minore consumo energetico. Esistono circuiti integrati adatti per applicazioni audio, in radiofrequenza, in corrente continua (comparatori); si possono avere modelli ottimizzati per la massima precisione, per la velocità di risposta, la stabilità verso la variazione di temperatura oppure altre catatteristiche.

Applicazioni circuitali

Amplificatore non invertente

L'amplificatore di tensione non invertente (figura C)la fase del segnale uscente corrisponde a quella del segnale entrante. Il guadagno dell'amplificatore è determinato dal valore delle resistenze che costituiscono un partitore di tensione, secondo la formula:

$G = \frac {Vo} {Vi} = \frac {R1 + R2} {R1}$

Amplificatore 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:

$G = \frac {Vo} {Vi} = - \frac {R2} {R1}$

Amplificatore differenziale

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. non invertente, se v2 vale zero allora si comporta come un amp. invertente. Immagine:op_diff.png

Ponendo $\frac {R4}{R3} = \frac{R2}{R1}$ allora l'amplificazione differenziale dello stadio vale $Vo = \frac {R2}{R1}(v2-v1)$ . 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 reazionati o comunque tutte quelle applicazioni in cui sia necessario rilevare la differenza tra due grandezze.

Sommatore

Il circuito di figura E è in grado di sommare le tensioni applicate agli ingressi. Ciascuna tensione Vix applicata contribuirà all'uscita con:

$Vux = - Vix \frac {R2} {Rx}$

Ponendo tutte le resistenze allo stesso valore R si avrà:

$Vu = - \frac {Via R} {R} - \frac {Vib R} {R} ... - \frac {Vix R} {R} = -(Via + Vib ... + Vix)$

Inseguitore

La configurazione di figura A corrisponde ad un amplificatore di tensione di guadagno unitario (voltage follower o buffer), e si ha pertanto $V o = V i$ . L'impedenza di ingresso è molto elevata, mentre quella di uscita è bassa, pertanto viene impiegato come disaccoppiatore di impedenza tra circuiti.

Oscillatore

Come per qualunque amplificatore, riportando parte del segnale in uscita opportunamente sfasato all'ingresso, si può realizzare un circuito oscillatore. Le reti di reazione vengono in genere realizzate con un circuito RC o un circuito RLC. Configurazioni tipiche sono il multivibratore che produce onde quadre e l'oscillatore a ponte di Wien, per generare onde sinusoidali.

Filtro attivo

L'amplificatore operazionale, configurato con opportune reti reattive, permette di ottenere filtri passa alto, passa basso, passa banda e arresta banda (Notch) con buone caratteristiche di taglio, alta impedenza di ingresso e bassa in uscita.

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, $τ = R C$ . Superati questi limiti il circuito entra in saturazione distorcendo il segnale.

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.

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.