Amplificatore operazionale

Amplificatore operazionale
Un amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale, accoppiato in continua e ad
elevato guadagno (teoricamente infinito).
Simbolo circuitale (A) e circuiti applicativi:
inseguitore (B), amplificatore non invertente (C),
amplificatore invertente (D), Sommatore (E),
pinout di un amplificatore operazionale integrato
(F)
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 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 (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 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.
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, che può essere
reale oppure virtuale, la due tensioni non necessariamente debbono avere lo stesso valore, (la
tensione positiva potrebbe essere di 15 volt e la negativa di 7 Volt). 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.
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. Alcuni
operazionali (ad esempio l'LM358) sono progettati per poter lavorare con una tensione singola
rispetto alla massa.
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
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.
(1) Stadio differenziale di
ingresso, (2) Stadio di
guadagno Single-Ended, (3)
Stadio di potenza Push-Pull
(uscita)
Applicazioni circuitali
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:
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.
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 -. 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
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. 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 = 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.
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:
Trigger Schmitt Non Invertente:
Oscillatore a ponte di Wien
Tra i generatori di forme d'onda, l'oscillatore a ponte di Wien è uno dei più conosciuti. La sua
principale caratteristica è l'elevata stabilità della frequenza di oscillazione che, a patto di avere un
guadagno pari a 3, cioè di avere R2 = 2R1, è data da:
L'innesco è possibile se inizialmente R2 > 2R1 per garantire questa condizione, generalmente, R2
viene sostituita da un termistore NTC (Negative Temperature Coefficient), oppure R1 da un
termistore PTC (Positive Temperature Coefficient).