Amplificatore Operazionale ad anello APERTO
Un amplificatore operazionale, non è altro che un amplificatore differenziale a più stadi,
con accoppiamento in continua (cioè può funzionare fino a frequenza zero, cioè anche con
segnali in ingresso continui).
Dev’essere alimentato, nella maggior parte dei casi, con alimentazione duale; in pratica
sono necessarie due tensioni di valore assoluto generalmente uguali ma di polarità
opposta che vengono indicate con +Vcc e -Vcc (es. +15V e -15V).
Amplificatore operazionale ideale
Idealmente le sue caratteristiche (di base) sono quattro:
1.
Amplificazione ad anello aperto (AOL) teoricamente infinita; da tale fatto, poiché la
tensione vale
Vo = AOL · ( V + - V - )
consegue che anche un piccolissimo segnale applicato ad uno degli ingressi
provoca la saturazione dell'uscita (cioè l'uscita raggiunge il valore massimo positivo
o negativo possibile pari a circa le tensioni di alimentazione).
Ad anello aperto l'amplificatore operazionale può funzionare quindi solo come
comparatore di tensione (l'uscita assumo solo due valori) cioè:
se V+ > V- → Vo ≈ +Vcc mentre se V+ < V- → Vo ≈ -Vcc
2.
Resistenza d’ingresso (Ri) infinita
3.
Resistenza d’uscita (Ro) nulla
4.
Larghezza di banda (BW) teoricamente infinita.
Amplificatore operazionale reale
1. L'amplificazione ad anello aperto (AOL), a valore di circa 105 (valore molto grande
ma evidentemente non infinito)
2. la resistenze d’ingresso (Ri) hanno valori molto alti (ma non infiniti) pari 10 6÷1012 Ω
3. la resistenza di uscita (Ro) vale qualche decina di Ohm (ma non zero)
4. la larghezza di banda reale (BW) è di 1÷20 MHz (quindi non infinita anche se
sufficientemente larga in molte applicazioni con frequenze non troppo elevate).
I valori differiscono ovviamente a seconda del componente.
Circuiti con Amplificatori Operazionali ad anello CHIUSO
Se si inserisce l’amplificatore operazionale in una rete di reazione negativa (cioè che
riporti in qualche modo il segnale di uscita verso l'ingresso invertente) si ottiene l'effetto di
limitare il guadagno del circuito nel suo complesso a valori “bassi” e si rendere la risposta
del circuito lineare per escursioni relativamente ampie del segnale d’ingresso.
In effetti così facendo l’amplificazione risulta dipendente solo da parametri della rete
esterna (ad esempio fatta da resistenze) e non dipende più da A OL.
Ad anello chiuso risulta sempre (a patto di non saturare l'uscita) V- ≈ V+ perché
V+ - V- = Vo/AOL ≈ 0 (essendo, Vo di qualche Volt e AOL “infinito”).
Se ad es. V+ è collegata a massa (0V) anche la tensione V- ≈ 0 (massa virtuale).
Amplificatore invertente (cioè con guadagno negativo)
Schema:
Formula per il calcolo del guadagno
Alla formula del guadagno si arriva con il seguente ragionamento:
la tensione di V- è circa nulla (massa virtuale) perché V+ è a massa e quindi si ha:
i1 = Vi / R1
→
i2 ≈ - Vo / R2 → poiché i1≈ i2 → Vi / R1 ≈ - Vo / R2 → formula
Si può osservare che il guadagno dell’amplificatore è negativo e non dipende più da A OL,
bensì dal rapporto delle due resistenze R 2 e R1.
Da ricordare che i valori delle resistenze devono andare in generale da alcuni KΩ a
qualche centinaio di KΩ.
Ad esempio se si vuole avere un guadagno di -3 basterà ad es. scegliere
R1 = 10 KΩ e R2 = 30 KΩ
Amplificatore non invertente (cioè con guadagno positivo)
Formula per il calcolo del guadagno
Il guadagno si calcola con ragionamenti simili ai precedenti (in questo caso non si ha una
massa virtuale ma comunque V- ≈ V+). Si noti che rispetto al precedente circuito è stata
semplicemente scambiata la massa con l'ingresso Vi.
Esempio: se R1 = 10 KΩ e R2 = 30 KΩ si ottiene un guadagno di 4.
Notare che il guadagno è sempre maggiore di 1; è 1 solo se R 2 =0 nel qual caso R1 è
inutile; si ottiene così l'inseguitore di tensione (vedi pagina successiva) per il quale in
pratica Vo = Vi.
Inseguitore (guadagno Av=+1 cioè Vo = Vi)
Altri schemi base ad anello CHIUSO
Sommatore invertente
Il sommatore invertente si ottiene aggiungendo in ingresso uno (o più) resistori
sull'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale.
Formula per il calcolo
della tensione Vo
In pratica l'uscita è pari alla somma dei due segnali d'ingresso moltiplicata per il guadagno
che è pari a Av = – R2 / R1
Differenziale
Formula per il calcolo
della tensione Vo
In pratica l'uscita è pari alla differenza dei due segnali d'ingresso moltiplicata per il
guadagno che è pari a Av = + R2 / R1
