ELETTRONICA
L’amplificatore
Operazionale
Amplificatore operazionale
Un amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale, accoppiato in continua
e ad elevato guadagno (teoricamente infinito).
Il nome di amplificatore operazionale dato a questo dispositivo elettronico 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.
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.
Figura 1. Piedinatura di un amplificatore operazionale commerciale: LM741
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. Alcuni operazionali (ad esempio l'LM358) sono progettati per poter lavorare
con una tensione singola rispetto alla massa.
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.
Figura 2. Regolazione dell'offset negli operazionali.
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.
Dal punto di vista costruttivo l'amplificatore operazionale può essere realizzato con
transistor bipolari oppure mosfet, che permettono di avere impedenza di ingresso più
elevata ed un minore consumo energetico.
Esistono circuiti integrati adatti per applicazioni audio, in radiofrequenza, in corrente
continua, ecc.; 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.
Figura 3. (1) Stadio differenziale di ingresso, (2) Stadio di guadagno Single-Ended, (3) Stadio di
potenza Push-Pull (uscita)
Applicazioni circuitali
1. 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:
Figura 4. Configurazione non nvertente.
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.
2. 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 -.
Figura 5. Configurazione 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:
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.
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
commutazioni
indesiderate
indecisioni
e
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
commutazione
rispetto
verso
il
alla
soglia
basso.
In
di
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:
