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Amplificatori operazionali

By Matrix

Nel campo delle automazioni capita spesso di dover verificare segnali di entità ridotta. Questi segnali che spesso provengono da sensori quali termocoppie, fotodiodi e celle di carico, risultano inadatti all’adeguato pilotaggio dei circuiti a microprocessori o apparati telemetrici. L’utilizzo degli amplificatori operazionali permette il perfetto interfacciamento dei sistemi e per questo spesso prendono nome d’interfaccia. E’ giusto sapere che nelle interfacce sono presenti circuiti attivi e passivi. La definizione di circuito passivo si associa a tutti quei circuiti o componenti che non amplificano i segnali o addirittura li attenuano. Rientrano nella categoria componenti quali resistenze, diodi, condensatori ecc…
Per attenuazione (indicata con “a”) si intende un rapporto tra segnale di uscita e segnale d’ingresso minore di 1:

Vu/Vi<1

Per amplificazione (indicata con “A”) si intende invece un rapporto tra segnale di uscita e segnale d’ingresso maggiore di 1:

Vu/Vi>1

Per amplificare un segnale si ricorre all’uso dei circuiti amplificatori composti invece da componenti quali transistor del tipo BJT, JFET e circuiti integrati.
Gli amplificatori operazionali sono componenti attivi che con l’aiuto di qualche componente passivo, riescono ad amplificare segnali molto deboli. Essi sono chiamati operazionali perché permettono anche di svolgere operazioni matematiche sul segnale trattato quali somme, moltiplicazioni, sottrazioni, divisioni, integrazioni e derivazioni. Non a caso i primi calcolatori di tiro nei sistemi di puntamento erano realizzati con sistemi di calcolo lineari che comprendevano per l'appunto un intensivo uso di questo componente.

Il simbolo elettrico di questi amplificatori è:

Si può notare che il disegno è formato da un triangolo in cui convergono due morsetti di ingresso I1 e I2, uno marcato con il simbolo -, l’altro con il simbolo +. Questi due simboli + e - , non indicano i morsetti d’alimentazione ma bensì il tipo di trattamento che subirà il segnale all’interno dell’amplificatore. Di fatto se applicheremo il segnale all’ingresso non invertente (morsetto +) esso verrà solo amplificato, se invece lo applichiamo all’ingresso invertente (morsetto -), il segnale subirà un processo d’amplificazione e d’inversione di polarità.
I morsetti dell’alimentazione positiva e negativa sono siglati invece con +Vcc e –Vcc. Spesso l’alimentazione dei circuiti operazionali viene chiamata duale, cioè vengono alimentati con due batterie che sono collegate in modo da generare due tensioni uguali ma invertite rispetto alla massa: una positiva e l’altra negativa. L’ultimo terminale è l’uscita. L’uscita è identificata sul disegno dalla lettera U.
Tutti i calcoli che faremo d’ora in poi sono basati sull’utilizzo di amplificatori operazionali ideali. Nella vita pratica gli amplificatori si discostano dal funzionamento ideale, ma per nostra fortuna tale difformità risulta ampiamente prevedibile e comunque, prendendo le opportune precauzioni, gli errori nei calcoli sono minimizzabili.

L’operazionale ideale è un amplificatore che possiede caratteristiche quali:
-resistenza di entrata infinita ( Ri=8 );
-resistenza di uscita uguale a zero ( Ru=0 );
-ddp fra i due ingressi talmente piccola da poter esser considerata 0V
-banda passante infinita ( B0=8 ) (ciò vuol dire che risulta lineare su tutte le frequenze);
-guadagno di tensione infinito ( AV=8 );
-rapporto di reiezione di modo comune infinito ( CMRR=8 ).

Il CMRR è la capacità del dispositivo di eliminare le componenti comuni ai due ingressi e di amplificare solo la differenza dei segnali in ingresso. Ad esempio, se al morsetto I1 applichiamo 10V e al morsetto I2 applichiamo 7V, il dispositivo elimina i 7V che i due morsetti hanno in comune e amplifica il segnale in uscita di 3V.
In effetti, l’ipotesi di un salto di tensione cosi elevato fra i morsetti d’ingresso risulta impossibile, nella pratica se si considera il guadagno medio di un amplificatore (circa 20’000). Ciò significa che un piccolo salto di tensione fra i due ingressi (5mV) può portare la tensione d’uscita al valore massimo. Considerando l’entità del salto di tensione dei due ingressi possiamo affermare che è possibile considerare la ddp in ingresso dell’amplificatore pari a 0V (principio della massa virtuale). L’analisi degli amplificatori operazionali non può essere sviluppata se prima non vengono prese in considerazione le due configurazioni di base: l’ invertente e la non invertente. Tutte le altre circuitazioni saranno solo elaborazioni di queste due configurazioni base.

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Amplificatore :
- Invertente
- Non invertente
- Inseguitore di tensione

Sommatore:
- Invertente
- Non invertente

Amplificatore:
- Differenziale