L’amplificatore operazionale (AO)
Trae la sua denominazione dal fatto che è stato largamente impiegato nella realizzazione
di elaboratori analogici per effettuare somme, moltiplicazioni, integrazioni ecc., di segnali
analogici.
L’evoluzione tecnologica ha consentito la produzione di AO integrati a basso costo e con
ottime prestazioni, tanto che attualmente vengono utilizzati come elemento attivo base
nella maggior parte dei circuiti analogici. Fra i principali campi di applicazione:
• acquisizione di segnali analogici (condizionamento, amplificazione, filtraggio);
• elaborazione di segnali (amplificazione, raddrizzamento, integrazione, somma, logaritmo)
• generazione di forme d’onda (oscillatori, generatori di onde triangolari)
• conversione A/D (sample and hold, convertitori a comparatori)
+V
+V
v2
v1
-
vo
+
v2
vi
v1
-V
-A
OLvi
Ri
Ro
vo
+
-V
Fondamentalmente è un amplificatore a più stadi con accoppiamento in continua che
idealmente presenta:
• amplificazione AOL (open loop gain) infinita (2x105)
• resistenza di ingresso Ri infinita (1012 )
• resistenza di uscita Ro =0 (0.110 )
• larghezza di banda BW infinita (20 MHz)
Vo AOL v1 v2 AOLvi
Funzionamento ad anello aperto
Vo (V)
+V
V-
Vs
V+
-
+Vsat
vo
+
Vs (mV)
-V
-Vsat
Vo AOL v v AOLvs
E’ sufficiente un piccolissimo segnale per far si che la tensione di uscita assuma valori
elevati. Comunque la dinamica d’uscita è limitata e dipende dalle tensioni di
alimentazione. L’escursione di Vo è limitata fra +Vsat e –Vsat (si discostano dalle
tensioni di alimentazione di 1 o 2 V)
Retroazione (feedback) negativa
Occorre inserire l’AO in una rete di retroazione negativa per limitare il guadagno
complessivo Av e far sì che la risposta del circuito sia lineare per escursioni
relativamente ampie del segnale di ingresso.
Dalle caratteristiche degli AO derivano le seguenti considerazioni:
1. Poiché la Ri è elevata, la corrente che entra negli ingressi dell’AO è
trascurabile
2. Poiché AOL è elevato, qualsiasi valore di Vo in zona lineare (-Vsat<vo<+Vsat)
presuppone che Vi sia molto piccola
Pertanto in zona lineare:
•
i+=i-=0
•
Vi=0 (cortocircuito virtuale; se uno degli ingressi è collegato a massa, l’altro è
a massa virtuale)
Amplificatore invertente
if
vs
R
i
Rf
-
vs
i
R
vo
vi
+
if
io
RL
vo
Rf
Poichè i=if :
Rf
vo
Av
vs
R
Av non dipende da AOL ma dal rapporto delle resistenze.
Il segno negativo indica che la polarità di Vo è invertita rispetto alla Vs
Amplificatore non invertente
if
vi
R
Rf
-
vo
V-
+
vs
i
io
vs
R
v vo
RL
Poichè v- = vs :
Rf
vo R f R
Av
1
vs
R
R
R
R Rf
Sommatore invertente
Rf
if
v1
v2
R1
R2
-
i1
vo
vi
io
+
RL
v1
R
i f i1 i2
v1 v2
vo R f i f R f
R1 R2
R f R1 R2
si ha
vo (v1 v2 )
i2
v2
R
Amplificatore differenziale
A volte è necessario disporre della differenza, eventualmente amplificata fra due segnali,
ad esempio quando si vuole eliminare una componente comune ad entrambi
Rf
if
v1
v2
-
R
vo
vi
R
Rf
+
io
RL
Esercizio: verificare la relazione ingresso-uscita
vo
Rf
R
(v1 v2 )
Caratteristiche degli AO reali
Le prestazioni degli AO reali differiscono da quelle dei dispositivi ideali
• Corrente di polarizzazione di ingresso: lo stadio di ingresso è un amplificatore
differenziale a BJT o a FET, in entrambi i casi si ha un assorbimento di corrente dovuto alle
correnti di base dei BJT polarizzati in zona attiva e alle correnti di perdita attraverso le giunzioni
gate-canale polarizzate inversamente.
• Corrente di offset: La non perfetta simmetria dello stadio differenziale di ingresso determina
una differenza fra le correnti polarizzazione; si definisce corrente di offset la differenza tra le
due.
• Tensione di offset di ingresso: applicando all’ingresso un segnale nullo (vi=v+-v-=0) la
tensione di uscita risulta diversa da zero (dovuto alle asimmetrie). Si può rappresentare con un
generatore di tensione posto in serie ad uno dei terminali. Determina tensioni di offset in uscita.
• Resistenza di ingresso: elevata ma non infinita
• CMRR: se i due terminali di ingresso vengono collegati tra loro e si applica un segnale, l’uscita
non sarà nulla. Il rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso prende il nome di
guadagno di modo comune. La capacità di un AO di ignorare i segnali di modo comune (media
dei segnali in ingresso) è specificata dal CMRR
CMRR
A
Acm
di solito espresso in dB
Integratore
C
ic
R
vs
-
1
vo
vs dt
RC
vo
i
+
1
vo ( s )
vs ( s )
SRC
Esercizio: verificare la relazione ingresso-uscita
Inseguitore di tensione
Un inconveniente frequente è costituito dall’attenuazione che nasce fra due circuiti,
l’uno con elevata resistenza d’uscita, l’altro (il carico) con ridotta resistenza di ingresso:
occorre introdurre un circuito buffer che funzioni come adattatore di impedenza.
vs
+
vo
• guadagno unitario (vo=vs)
• elevatissima resistenza di ingresso
• bassissima resistenza di uscita
Amplificatore per strumentazione
E’ un amplificatore differenziale con le seguenti caratteristiche:
• elevatissima impedenza di ingresso differenziale e di modo comune
• bassissima impedenza di uscita
• guadagno stabile ed accurato (noto con precisione e regolabile esternamente)
• elevatissimo CMRR
• bassissima tensione e corrente di offset
• stabile in temperatura
Viene utilizzato per amplificare segnali molto deboli con elevate componenti di
modo comune, ad esempio quelli che provengono da un trasduttore o la piccola
differenza tra due tensioni quasi uguali nel ponte di Wheatstone.
High Speed FET-Input
INSTRUMENTATION AMPLIFIER
Vo V
2R
V1 V2
2R R0 V1 V2 1
R0
R0
