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
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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:
2
–
+Vcc
7
V1
V2
Con il simbolo “–”
si indica l’ingresso
invertente.
6
3
V0
+
4
-Vcc
Con il simbolo “+”
si indica l’ingresso
non invertente
Rappresentazione grafica
V1: tensione sull’ingresso
invertente.
2
–
+Vcc
7
V1
V2
+Vcce -Vcc: tensioni di
alimentazione.
V0: tensione di uscita.
6
3
V0
+
4
-Vcc
V2: tensione sull’ingresso non invertente.
Amplificatori operazionali
L’operazionale ideale soddisfa le
seguenti caratteristiche:
- impedenza di ingresso
- impedenza di uscita
- Guadagno in tensione
- Larghezza di banda
Zi = infinito
Zo = 0
Ao = infinito
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
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Da notare che l’amplificatore operazionale è un circuito integrato analogico che ha:
ingresso differenziale Vd=V+ - Ve
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.
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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 “datasheet”
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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.
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Amplificatore invertente
• Una prima configurazione elementare è
l’amplificatore invertente:
I0
Ri
Vi
Ii
R0
Ib1
V1
R
+
Ib2
V2
V0
GuadaGno dell’amplificatore
invertente
• L’amplificatore invertente, applicando un
segnale in ingresso, lo amplifica di un
fattore R0/Ri , invertendone la fase di 180°:
R0
V0   Vi
Ri
• 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:
I0
Ri
Ii
R0
Ib1
V1
R
Vi
+
Ib2
V2
V0
GuadaGno dell’amplificatore
non invertente
• L’uscita dell’amplificatore non
invertente dipende dall’ingresso
in base alla seguente relazione:
 R0 
V0  1   Vi
 Ri 
•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
A
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
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Amplificatori operazionali
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Amplificatori operazionali
Amplificatore differenziale
lo schema raffigurato rappresenta
un amplificatore differenziale
nel quale la tensione di uscita
vale
vo  
R2
v1  v2 
R1
A
per dimostrarlo si applichi la
sovrapposizione degli effetti.
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Amplificatori operazionali
Amplificatore sommatore
lo schema raffigurato rappresenta
un amplificatore sommatore
nel quale la tensione di uscita
vale
 R2
R2 
vo   
viA 
viB 
R1B 
 R1 A
A
per dimostrarlo si applichi la
sovrapposizione degli effetti.
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Amplificatori operazionali
Convertitore corrente-tensione
Alcune applicazioni richiedono
che una corrente sia convertita
in una tensione
ii  i f
vo  ii R
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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
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