GLI AMPLIFICATORI OPERAZIONALI
Generalità
Gli Amp.Op. vengono utilizzati fondamentalmente per compiere operazioni di tipo logicomatematico ai segnali che vengono forniti in ingresso agli amplificatori. Sono soprattutto impiegati
in dispositivi per la realizzazione di circuiti lineari come amplificatore invertente e non invertente,
sommatore, integratore, derivatore, filtri attivi, comparatori e convertitori, etc.
Il simbolo elettrico elementare di un amplificatore operazionale consiste in un triangolo isoscele che
presenta due ingressi V+ detto ingresso non invertente e V- detto ingresso invertente. Il dispositivo
presenta sul vertice destro del simbolo una linea di uscita Vo. Inoltre sono presenti i due
collegamenti all’alimentazione ±Vcc.
Accanto è dise anche la pedinatura dell’integrato 747, l’Amp.Op. da noi utilizzato in laboratorio
durante le esperienze pratiche. Il pin 1 e 5 sono i piedini di off-set, il pin 2 è l’ingresso invertente
(-), mentre il pin 3 è l’ingresso non invertente (+). I piedini di alimentazione sono il 4
(-Vcc) e
il 7 (+Vcc). Il pin 8 è non collegato.
Caratteristiche di amplificatore operazionale ideale
L’amplificatore operazionale viene considerato ideale quando presenta le seguenti caratteristiche:
Guadagno di tensione a catena aperta infinito
Resistenza d’ingresso infinita
Resistenza d’uscita nulla
Larghezza di banda infinita
Tensione di uscita nulla per ingresso nullo
Insensibilità alla temperatura
Premesse teoriche
Un Amp.Op. è un amplificatore differenziale, accoppiato in continua e ad elevato guadagno
(teoricamente infinito).
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, etc. Al giorno d'oggi l'amplificatore operazionale è, in genere, costruito
in un circuito integrato.
Il circuito presenta due ingressi: uno definito invertente, indicato con il simbolo -, l'altro definito
non invertente, indicato con il simbolo +, ed una uscita . Dal punto di vista costruttivo,
l'amplificatore operazionale può essere anche realizzato con transistor bipolari bjt oppure mosfet.
L'impedenza di ingresso presenta un valore molto elevato, teoricamente infinito, mentre
l'impedenza di uscita ha valore basso, idealmente nullo.
Nella pratica i valori di impedenza, così come la banda passante e la frequenza massima di lavoro,
sono determinati dalle caratteristiche costruttive dei singoli modelli di circuiti integrati.
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Durante le esperienze svolte in laboratorio sugli amplificatori operazionali, ho montato su
breadboard vari circuiti e ho eseguito le misure e i calcoli che sono riportati in seguito, dopo una
breve descrizione delle prove realizzate.
Taratura di off-set:
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La maggior parte degli amplificatori operazionali è progettata per lavorare con una tensione di
alimentazione duale, cioè con un valore positivo ed uno negativo, simmetrici rispetto ad una massa
reale. Nell'alimentazione duale, il livello del segnale in uscita, può spaziare tra i due valori di
tensione
d'alimentazione.
Quando gli ingressi hanno lo stesso valore di tensione, l'uscita dovrebbe assumere il potenziale della
massa. Poiché l’amplificatore operazionale non ha una massa propria è necessario creare un punto
di riferimento per tutte le tensioni. Ciò è possibile inserendo un potenziometro dal valore tipico di
10k fra i due pin di off-set (pin 1 e pin 5) dell’integrato 741(utilizzato nell’esperienza) e
collegando il centrale –Vcc (pin 4) per creare un partitore di tensione.
Alimentato il circuito ruoto il trimmer fino a raggiungere lo “zero” letto sul multimetro.
Il circuito viene detto tarato (off-set) perché ad ingresso nullo corrisponde uscita nulla.
Connessione non invertente
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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 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.
Si dimostra che:
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Connessione invertente:
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L’amplificatore operazionale è utilizzato nella connessione invertente, quando la tensione in
ingresso Vi è applicata sul morsetto contraddistinto dal segno – tramite la R1 e la R2 di reazione.
Nell'amplificatore invertente il segnale in uscita viene sfasato di 180° rispetto all'ingresso, ovvero il
guadagno è negativo. La formula per calcolarlo si dimostra essere:
Resistenza d’ingresso e di uscita:
La resistenza di ingresso dell'amplificatore risulta molto grande ma non infinita. La resistenza di
uscita dell'amplificatore è valore piccolo ma non nullo, valore tipico 75Ω.
Le misure vengono effettuate con l’utilizzo di un potenziometro e col metodo del dimezzamento
della tensione di uscita Vo.
Valori misurati in laboratorio:
Ri=850k (valore fornito dai data sheet 1-2MΩ
Ro= 35Ω(valore fornito dai data sheet 50Ω
CMRR
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Il CMRR è il rapporto di reiezione di modo comune dell’amplificatore e misura la tendenza
dell’amplificatore stesso a rigettare i segnali d'ingresso comuni a entrambi gli ingressi ed
amplificare i segnali differenziali. In teoria il rapporto di reiezione dovrebbe essere infinito. In
realtà è un numero molto grande e si calcola nel modo seguente:
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Con deviatore su MC
Vu con Vs alVu’= -A*Vs
Vu con Vs al+
Vu’’= +A*Vs
VuTOT = Vu’+Vu’’= -A*Vs +A*Vs = 0 (teorico)
Con deviatore su MD
Vu con Vs alVu= -A*Vs
Si calcola:
A modo differenziale
CMRR =
CMRR dB =20logCMRR
A modo comune
Slew Rate
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Lo slew rate significa rapporto di slittamento ovvero il rapporto fra la variazione di tensione e la
variazione del tempo.
Infatti:
∆V
SR =
SR teorico
∞
Δt
Si misura la variazione ΔV e la variazione Δt sull’oscilloscopio valutando solo la zona lineare della
risposta.
Le misure si effettuano per frequenze elevate, circa 1 MHz.
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