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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. L'evoluzione tecnologica ha portato alla realizzazione degli amplificatori operazionali dapprima sotto forma di circuiti a valvole, poi attraverso l'utilizzo di transistor ed infine realizzandoli come circuiti integrati.
Quest'ultima modalità produttiva ha permesso un abbassamento del loro costo, riducendone drasticamente anche l'ingombro.
Sono, in questo, modo diventati il principale dispositivo attivo (introducono un guadagno di tensione) analogico e vengono usati in tutti i principali settori applicativi, dall'elaborazione del segnale al suo condizionamento, dalla generazione di forme d'onda alla conversione analogico-digitale.

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 in continua Vcc= 12÷15V.
Il legame fra ingresso e uscita è espresso dalla seguente relazione:

Dove Aol è il guadagno ad anello aperto (open loop) 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 ingresso Ri e il generatore equivalente di uscita Aol·vi   dove    vi=v+-v-.

Parametro simbolo ideale reale
Guadagno Aol ≈106
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 amplificatore operazionale 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+<v- l'A.O. presenta in uscita un valore -Vsat≅-Vcc.
Esiste solo una ristretta gamma di valori della tensione di ingresso Δvi (tensione differenziale di ingresso) dell'ordine di pochi μV 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 tgα=∞ cioè solo attraverso un A.O. ideale.

L'amplificatore operazionale, 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 nel disegno.

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:

      questa uguaglianza è dovuta al fatto che nel caso ideale è

quindi per avere un valore di tensione finito in 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        

La configurazione ad anello aperto non può essere usata per la realizzazione di dispositivi amplificatori per la difficoltà di mantenere il punto di lavoro all'interno della zona lineare; il suo funzionamento deve, dunque, essere stabilizzato attraverso l'introduzione di una rete di reazione negativa che 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'amplificatore operazionale e la retta di carico riferibile alla rete di reazione.

In questo caso, la risposta del circuito può essere resa lineare per escursioni relativamente ampie del segnale di ingresso definibili dal progettista ed indipendenti dal guadagno ad anello aperto 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 ottenibile ed è:

Dove A è la funzione di trasferimento del blocco di andata e B la funzione di trasferimento della rete di retroazione.

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:

Ao= guadagno a centro banda (e in continua) del blocco di andata A s=α+jω pulsazione complessa (in regime puramente sinusoidale è s=jω )
in base alle precedenti considerazioni, avremo:

dividendo numeratore e denominatore per (1+BAo)

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

Il polo (frequenza di taglio superiore) che prima valeva      adesso diventa

      aumenta, dunque, del fattore (1+BAo).

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, perché il prodotto (GBPW) guadagno per larghezza di banda rimane costante.
Oltre ad un allargamento della banda passante, si ha anche un miglioramento della stabilità, che essendo definita come

   più S è piccola, più il sistema è stabile.

in termini infinitesimali:       il guadagno ad anello chiuso è

   di conseguenza

     quindi..

essendo Sf la stabilità del sistema reazionato ed S la stabilità del sistema non reazionato si nota che Sf<S la stabilità viene migliorata.