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

Storia dell’amplificatore 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. L’avvento del transistor bipolare, consentì un notevole miglioramento con la realizzazione di A.O. come moduli a componenti discreti.

introduzione L’amplificatore 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. 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

introduzione L’AO 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. Buona 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.

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

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

L’Amplificatore Operazionale L’Amplificatore 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.

Rappresentazione grafica Il simbolo grafico, comunemente utilizzato, per rappresentare l’A.O. è il seguente: + – V1 V2 +Vcc -Vcc V0 Con il simbolo “–” si indica l’ingresso invertente. 2 7 6 Con il simbolo “+” si indica l’ingresso non invertente 3 4

Rappresentazione grafica V1: tensione sull’ingresso invertente. +Vcce -Vcc: tensioni di alimentazione. + – V1 V2 +Vcc -Vcc V0 2 7 V0: tensione di uscita. 6 3 4 V2: tensione sull’ingresso non invertente.

Amplificatori operazionali L’operazionale 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 L’operazionale reale, invece, soddisfa le seguenti caratteristiche: - impedenza di ingresso Zi = 4 MW , typically - impedenza di uscita Zo = 100 W , typically - Guadagno in tensione Ao = A=105 typically Larghezza di banda 0 (continua) -> ~ 1 MHz - Bilanciamento presenza di offset, mV - Dipendenza dalla temperatura piccola ma presente

Da notare che l’amplificatore 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 100.000; 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 l’uscita 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 / 100.000 = 0,0003 V: è sufficiente che il segnale di ingresso abbia una ampiezza > 0,3 mV perché l’uscita vada fuori linearità (cioè raggiunga una delle due tensioni di alimentazione facendo uscire il circuito dal funzionamento lineare come amplificatore).

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.

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”

Amplificatori operazionali GLI OPERAZIONALI NEL FUNZIONAMENTO LINEARE Dato l’elevato guadagno, infinito nel caso teorico - maggiore di 100.000 nel caso pratico, non è praticamente possibile far funzionare in zona lineare l’operazionale senza una rete esterna di controllo chiamata “rete di retroazione” o “retroazione” o “reazione”. Nella pratica si riconosce il funzionamento dell’operazionale nella zona lineare quando è presente una impedenza che collega l’uscita all’ingresso invertente, mentre si riconosce un funzionamento non lineare quando non è presente alcun tipo di reazione del segnale di uscita verso l’ingresso invertente o è presente una impedenza che collega l’uscita all’ingresso non invertente.

Amplificatore invertente Una prima configurazione elementare è l’amplificatore invertente: Ri I0 R0 Ii Vi Ib1 - V1 R + V0 Ib2 V2

Guadagno dell’amplificatore invertente L’amplificatore invertente, applicando un segnale in ingresso, lo amplifica di un fattore R0/Ri , 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 R0 e Ri.

Amplificatore non invertente Una seconda configurazione elementare è l’amplificatore non invertente ed il suo schema è riportato in figura sotto: Ri I0 R0 Ii Ib1 - V1 R Vi + V0 Ib2 V2

Guadagno dell’Amplificatore non invertente L’uscita dell’amplificatore non invertente dipende dall’ingresso 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.

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 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

Amplificatori operazionali

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

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

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

Amplificatori operazionali Amplificatore a guadagno unitario è una particolare situazione dell’amplificatore in configurazione non invertente ma con R2 = 0 e R1 = infinito, in questo caso il rapporto R2 / R1 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 l’ingresso dal carico: A