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Storia dell'A.O. Introduzione A.O. Invertente A.O. non invertente esci Prof. Calogero Carcione.

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Presentazione sul tema: "Storia dell'A.O. Introduzione A.O. Invertente A.O. non invertente esci Prof. Calogero Carcione."— Transcript della presentazione:

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2 Storia dell'A.O. Introduzione A.O. Invertente A.O. non invertente esci Prof. Calogero Carcione

3 Storia dellamplificatore operazionale Il termine di amplificatore operazionale deriva dal fatto che, originariamente, tale dispositivo veniva usato nei calcolatori analogici per svolgere operazioni matematiche (come somme, sottrazioni, moltiplicazioni, integrali, derivate, ecc...) su segnali elettrici. I primi A.O. furono realizzati negli anni 40 con tubi a vuoto; tali dispositivi erano voluminosi e richiedevano una notevole potenza di alimentazione. Lavvento del transistor bipolare, consentì un notevole miglioramento con la realizzazione di A.O. come moduli a componenti discreti.

4 introduzione Lamplificatore operazionale (AO) Lamplificatore operazionale (AO) è un circuito integrato costituito da una rete di resistenze, capacità, diodi e transistori incapsulati in unico contenitore di plastica o di metallo, che viene collegato normalmente al circuito mediante una zoccolatura a pressione. dispositivo integrato Essendo un dispositivo integrato offre tutti i vantaggi dei circuiti monolitici integrati: - piccole dimensioni - alta affidabilità - costi ridotti - controllo di temperatura - basse derive di tensione e corrente

5 introduzione AO amplificatore differenzialeLAO può essere definito funzionalmente come un amplificatore differenziale, cioè un dispositivo attivo a tre terminali che genera al terminale di uscita una tensione proporzionale alla differenza di tensione fornite ai due terminali di ingresso. amplificatori operazionaliBuona parte dei circuiti elettronici è costituita da componenti integrati, composti ciascuno da numerosi elementi attivi e passivi miniaturizzati, e nei circuiti analogici questi integrati sono quasi tutti amplificatori operazionali.

6 L'amplificatore operazionale come circuito integrato è uno dei circuiti lineari maggiormente usati. Grazie alla produzione in larghissima scala, il suo prezzo è sceso a livelli talmente bassi da renderne conveniente l'uso in quasi tutte le possibili aree applicative. L'amplificatore operazionale è un amplificatore che ha una continuità elettrica fra ingresso e uscita

7 6 Amplificatori operazionali Amplificatore operazionale Modello equivalente Resistenza dingresso Resistenza di uscita Generatore equivalente di uscita L'amplificatore operazionale è un amplificatore che ha una continuità elettrica fra ingresso e uscita

8 LAmplificatore Operazionale LAmplificatore operazionale (A.O.) è essenzialmente, un amplificatore di tensione, avente le seguenti caratteristiche: –alto guadagno; –ingresso differenziale; –alta impedenza di ingresso e bassa impedenza di uscita.

9 Rappresentazione grafica + – VV1VV1 VV2VV2 +V +V cc -V -V cc VV0VV0 Il simbolo grafico, comunemente utilizzato, per rappresentare lA.O. è il seguente: – Con il simbolo – si indica lingresso invertente. Con il simbolo + si indica lingresso non invertente

10 Rappresentazione grafica + – VV1VV1 VV2VV2 +V +V cc -V -V cc VV0VV0 V 1 V 1 : tensione sullingresso invertente. V 2 V 2 : tensione sullingresso non invertente. +V cc -V cc +V cc e -V cc : tensioni di alimentazione. V 0 V 0 : tensione di uscita

11 10 Amplificatori operazionali Loperazionale ideale soddisfa le seguenti caratteristiche: - impedenza di ingresso Zi = infinito - impedenza di uscita Zo = 0 - Guadagno in tensione Ao = infinito - Larghezza di banda infinita - Bilanciamento perfetto: Vo=0 per V+ = V- - Indipendenza dalla temperatura Loperazionale reale, invece, soddisfa le seguenti caratteristiche: 4 MW, typically - impedenza di ingresso Zi = 4 MW, typically 100 W, typically - impedenza di uscita Zo = 100 W, typically A=10 5 typically - Guadagno in tensione Ao = A=10 5 typically -Larghezza di banda 0 (continua) -> ~ 1 MHz presenza di offset, mV - Bilanciamento presenza di offset, mV piccola ma presente - Dipendenza dalla temperatura piccola ma presente

12 Da notare che lamplificatore operazionale è un circuito integrato analogico che ha: -ingresso differenziale Vd=V+ - V- e Vo=A Vd -Rin è elevata, allora la corrente assorbita dai terminali di ingresso dovrebbe essere nulla e V+ = V- Se nel caso reale il guadagno è pari a circa ; ciò significa che se il circuito deve funzionare in regime lineare (segnale di uscita proporzionale al segnale di ingresso) la tensione differenziale Vd=V+ - V- ai due terminali di ingresso dovrà essere tale da mantenere luscita nel campo di linearità e cioè compresa tra +Vcc e - Vcc, tipicamente +15 V e -15V. Ad un range di 30 Volt di dinamica di uscita dovrà quindi corrispondere un range di ingresso di 30 / = 0,0003 V: è sufficiente che il segnale di ingresso abbia una ampiezza > 0,3 mV perché luscita vada fuori linearità (cioè raggiunga una delle due tensioni di alimentazione facendo uscire il circuito dal funzionamento lineare come amplificatore).

13 12 Amplificatori operazionali Perché possa essere utilizzato come amplificatore dovrà quindi essere corredato di una rete di reazione tale che se ne possa controllare il guadagno complessivo e le altre caratteristiche. Osservando la caratteristica di ingresso/uscita si rileva che la pendenza della curva nella zona centrale è il guadagno ad anello aperto del dispositivo.

14 13 Amplificatori operazionali GLI OPERAZIONALI NEL FUNZIONAMENTO LINEARE Gli amplificatori operazionali vengono utilizzati in configurazioni dette lineari e non lineari. - Nelle configurazioni lineari funzionano sostanzialmente come amplificatori di segnale e lavorano nella zona lineare della caratteristica ingresso /uscita - Nelle configurazioni non lineari funzionano sostanzialmente come circuiti a scatto o comparatori in grado di erogare una uscita pari ad uno dei due livelli di tensione di alimentazione, +Val o -Val I circuiti che seguono non riportano, per semplicità, i collegamenti alle alimentazioni che però dovranno essere sempre realizzati nel funzionamento pratico, così come dovranno essere presi tutti gli accorgimenti dettato dalle case costruttrici e riportati sui data- sheet

15 14 Amplificatori operazionali GLI OPERAZIONALI NEL FUNZIONAMENTO LINEARE Dato lelevato guadagno, infinito nel caso teorico - maggiore di nel caso pratico, non è praticamente possibile far funzionare in zona lineare loperazionale senza una rete esterna di controllo chiamata rete di retroazione o retroazione o reazione. Nella pratica si riconosce il funzionamento delloperazionale nella zona lineare quando è presente una impedenza che collega luscita allingresso invertente, mentre si riconosce un funzionamento non lineare quando non è presente alcun tipo di reazione del segnale di uscita verso lingresso invertente o è presente una impedenza che collega luscita allingresso non invertente.

16 Amplificatore invertente Una prima configurazione elementare è lamplificatore invertente: + - RiRi R0R0 R V2V2 V1V1 IiIi I0I0 I b1 I b2 V0V0 ViVi

17 Guadagno dellamplificatore invertente Lamplificatore invertente, applicando un segnale in ingresso, lo amplifica di un fattore R 0 /R i, invertendone la fase di 180°: Ne deriva che il valore del Guadagno, non dipende da A, e quindi non varia con la frequenza, né con il tipo di A.O. utilizzato: esso è determinato esclusivamente dai valori di R 0 e R i.

18 Amplificatore non invertente Una seconda configurazione elementare è lamplificatore non invertente ed il suo schema è riportato in figura sotto: + - RiRi R0R0 R V2V2 V1V1 IiIi I0I0 I b1 I b2 V0V0 ViVi

19 Guadagno dellAmplificatore non invertente Luscita dellamplificatore non invertente dipende dallingresso in base alla seguente relazione: Anche nel non invertente, come nell'invertente, il guadagno è indipendente da A, poiché A è abbastanza grande, ed è determinato solo dai valori usati per la rete di reazione. Questo risultato, comune a tutti i circuiti con retroazione negativa, rende il circuito insensibile ai componenti attivi.

20 19 Amplificatori operazionali La considerazione funzionale che il nodo A sia a potenziale di massa e quindi pari a 0 Volt assume una importanza notevole tanto che a tale effetto viene dato un nome ben preciso detto: fenomeno della massa virtualefenomeno della massa virtuale Si spiega quindi che per effetto del funzionametno e delle caratteristiche teoriche di un amplificatore operazionale un nodo particolare di un circuito è forzato ad un potenziale di massa anche se effettivamente non esiste un collegamento reale a mezzo di un conduttore alla massa stessa. Tale effetto si ha, poi, generalmente con un potenziale qualsiasi, a seconda delle A

21 20 Amplificatori operazionali

22 21 Amplificatori operazionali Amplificatore differenziale lo schema raffigurato rappresenta un amplificatore differenziale nel quale la tensione di uscita vale per dimostrarlo si applichi la sovrapposizione degli effetti. A

23 22 Amplificatori operazionali Amplificatore sommatore lo schema raffigurato rappresenta un amplificatore sommatore nel quale la tensione di uscita vale per dimostrarlo si applichi la sovrapposizione degli effetti. A

24 23 Amplificatori operazionali Convertitore corrente-tensione Alcune applicazioni richiedono che una corrente sia convertita in una tensione

25 24 Amplificatori operazionali Amplificatore a guadagno unitario è una particolare situazione dellamplificatore in configurazione non invertente ma con R 2 = 0 e R 1 = infinito, in questo caso il rapporto R 2 / R 1 vale 0 e i guadagno vale 1. La particolarità del circuito è quella di offrire in uscita un segnale pari a quello di ingresso ma di separare lingresso dal carico: A


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