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Amplificatore operazionale

Amplificatore operazionale reale

L'amplificatore operazionale è un componente elettronico analogico la cui denominazione deriva dal fatto che questo dispositivo è stato ampiamente usato per effettuare operazioni matematiche su segnali elettrici.

Nella figura seguente è illustrato il simbolo circuitale dell'A.O. Si nota subito la presenza di due ingressi v+ e v- detti rispettivamente, ingresso non invertente ed ingresso invertente. Il dispositivo è dotato di un'unica uscita vo. l'alimentazione è in genere duale con le due tensioni di alimentazione Vcc= ±12÷ 15V.


Il legame fra ingresso e uscita è espresso dalla seguente relazione:


Dove AOL è il guadagno ad anello aperto dell'operazionale, cioè è il guadagno di tensione del dispositivo senza che vi sia un collegamento circuitale fra uscita ed ingressi del dispositivo (anello di reazione). Viene illustrata anche la costituzione interna dell'A.O. dove si evidenzia la resistenza di ingressi Ri e il generatore equivalente di uscita AOL vi; dove vi=v+-v-.

I parametri principali di un A.O. reale paragonati ad un A.O. ideale sono schematizzati nella tabella seguente:

Parametro

Simbolo

Ideale

Reale

Guadagno

AOL

≅106 circa

Resistenza di uscita

Ro

0

75Ω

Resistenza di ingresso

Ri

2MΩ

Larghezza di banda

BW

1MHz

La caratteristica grafica che lega fra di loro l'ingresso e l'uscita di un A.O. reale ad anello aperto (transcaratteristica) è la seguente.

da cui si deduce che se v+>v- l'A.O. risponde con una tensione di saturazione superiore +VSAT≅ +VCC; altrimenti se v+- l'A.O. presenta in uscita un valore -VSAT≅ -VCC. Esiste solo una ristretta gamma di valori della tensione di ingresso vi dell'ordine di pochi V detta zona di funzionamento lineare o zona attiva dove viene rispettata la relazione:

per l'A.O. reale la caratteristica in zona lineare è molto ripida, tuttavia non è esattamente verticale; tale condizione si può ottenere solo per tg α = ∞ cioè solo attraverso un A.O. ideale.
L'A.O. in queste condizioni può essere usato solo per applicazioni non lineari come ad esempio comparatore di tensione. Un'applicazione già da subito realizzabile è il rivelatore di passaggio per lo zero il cui funzionamento è illustrato in figura.

Amplificatore operazionale ideale

Considerando la tabella precedente l'A.O. ideale si differenzia da quello reale per avere Ri= ∞ (resistenza di ingresso infinita) questo fatto ha una importante implicazione : l'A.O. non assorbe corrente in ingresso; cioè le due correnti di offset i+=i-=0.

L'A.O. ideale si caratterizza anche per un'altra importante peculiarità: il principio della massa virtuale; esso si concretizza nella relazione:

v+= v-  

Questa equazione è dovuta al fatto che nel caso ideale:

Con locuzione matematica molto sportiva si potrebbe dire che per avere un valore di tensione finito uscita deve necessariamente essere v+=v-.
Questo significa che se uno dei due morsetti (invertente o non invertente) viene messo a massa, anche l'altro risulta essere a potenziale zero pur non essendo fisicamente collegato a massa.

Amplificatore operazionale ad anello chiuso

L'introduzione di una rete di reazione negativa ci consente di far funzionare il dispositivo come amplificatore. In tal caso il punto di funzionamento del dispositivo è dato dal punto P:intersezione fra la transcaratteristica dell'A.O. e la retta di carico attribuibile alla rete di reazione.

In questa circostanza la risposta del circuito può essere resa lineare per escursioni relativamente ampie del segnale di ingresso definibili dal progettista ed indipendenti da AOL. La retrozione negativa ha degli effetti stabilizzatori anche sulla risposta in frequenza del dispositivo. La funzione di trasferimento di un sistema reazionato negativamente è facilmente ottenbile tramite le seguenti osservazioni.

Sia A la funzione di trasferimento del dispositivo ad anello aperto, mentre chiamiamo B la funzione di trasferimento della rete di reazione

    segnale differenza in ingresso al blocco di andata A
       segnale di retroazione (feedback)
      segnale di uscita

     avremo:
            quindi:

       guadagno ad anello chiuso di un sistema a reazione negativa

la risposta in frequenza ad anello aperto di un A.O. reale come un comunissimo μA741, può essere assimilata ad una funzione di trasferimento ad un singolo polo:

A0= guadagno a centro banda (e in continua) del blocco di andata A;
s= α+jω pulsazione complessa (in regime puramente sinusoidale s=jω )

in ragione delle precedenti considerazioni, avremo:

          dividendo numeratore e denominatore per (1+BA0):

cioè: il guadagno a centro banda diminuisce di (1+BA0) rispetto ad un sistema non reazionato A.

Il polo (frequenza di taglio superiore) che prima valeva adesso diventa
aumenta, dunque, del fattore (1+BA0).


In figura sono paragonate le risposte in frequenza di un sistema non reazionato e di un sistema reazionato negativamente rappresentati tramite diagrammi di Bode in scale logaritmica.
Attenzione! il prodotto (GBPW) guadagno per larghezza di banda rimane costante. Oltre ad un allargamento della banda passante, si ha anche un miglioramento della stabilità: in termini infinitesimali:   essendo:
   per cui..

di conseguenza..

 essendo Sf < S, la stabilità viene migliorata




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