COME UTILIZZARE GLI AMPLIFICATORI OPERAZIONALI

NE555   Teoria di Funzionamento, come Scegliere e come Utilizzare gli Amplificatori Operazionali in Configurazione Invertente e non Invertente…

 

 

 
 



 

INTRO

Gli amplificatori operazionali sono elementi circuitali usati in moltissime applicazioni, dagli amplificatori di segnale al condizionamento e filtraggio del segnale, da circuiti che eseguono operazioni matematiche sul segnale a comparatori. Possibili da realizzare anche con transistor discreti, si trovano in vari packages come circuiti integrati.

L’amplificatore operazionale è un elemento fondamentale, in grado di amplificare una tensione, con 3 pin essenziali, il pin non invertente, in pin invertente è l’uscita. A questi tre pin bisogna aggiungere i due pin per l’alimentazione. I pin invertente e non invertente sono ingressi ad alta impedenza, ovvero non assorbono corrente, sono indicati rispettivamente con il simbolo “+” e il simbolo “-“. L’uscita è a bassa impedenza ed è in grado di fornire e assorbire corrente.

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Il segnale d’uscita è dato dalla differenza tra l’ingresso V1 e l’ingresso V2 moltiplicato per un fattore di amplificazione A che solitamente è molto grande e dipende dall’amplificatore operazionale e non dal circuito che si crea con esso. Solitamente questo valore va da 20K a 200K e teoricamente è infinito e si chiama guadagno ad anello aperto. Se A = infinito allora la differenza tra il pin invertente e il non-invertente deve essere infinitesimale, teoricamente 0, altrimenti la tensione di uscita saturerebbe subito, funzionando da comparatore. Per questo fatto che A>>1 allora si ha il principio del cortocircuito virtuale che fa si che vi sia la stessa tensione sul pin invertente e non-invertente.

L’amplificatore operazionale riesce a svolgere le sue funzioni di amplificazione, operazioni matematiche e filtraggio utilizzando un feedback negativo, ovvero parte della tensione di uscita ritorna sugli ingressi limitando il guadagno e permettendo l’utilizzo senza che le uscite saturino.

Teoricamente un amplificatore operazionale è così fatto:

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I due transistor sono connessi in configurazione differenziale e sono dello stesso tipo e funzionano nello stesso punto di lavoro. La tensione di uscita Vout è data da (V2-V1)A quindi si realizza la funzione vista prima. Questo succede perché quando V1 è maggiore di V2 il transistor T1 è più acceso e quindi la Vout vedrà una tensione minore su TR1 e una maggiore su TR2 creando una Vout negativa.

Quando si sceglie un amplificatore operazionale vi sono vari fattori da tenere in considerazione, tra cui:

  • Tensione di alimentazione: Oltre al valore minimo e massimo supportati dall’integrato, bisogna scegliere opportunamente il tipo di tensione, se singola o duale. Ad esempio un LM358 funziona sia con tensione singola (ovvero composta da terminale positivo e massa) sia con tensione duale (ovvero composta da tensione positiva, negativa e massa). Molti amplificatori operazionali funzionano solo con tensione duale.
  • Guadagno ad anello aperto: teoricamente infinito rappresenta il guadagno che si ha senza feedback. Questo valore deve essere compreso tra 20K e 200K.
  • Impedenza di ingresso: teoricamente infinita, questo valore deve essere molto alto in modo tale da non creare problemi all’interno dei circuiti con amplificatore operazionale, come ad esempio tensioni sugli ingressi dovute alla corrente che scorre negli ingressi.
  • Impedenza d’uscita: teoricamente nulla, quantifica la variazione dell’uscita in funzione della corrente di uscita. Si vorrebbe che la tensione di uscita non vari con la corrente.
  • Banda: teoricamente infinita quantifica la variazione del parametro A al variare della frequenza. Un buon amplificatore riesce ad amplificare fino a 300MHz, oltre il parametro A va a decrescere.
  • Tensione di offset: teoricamente 0, quantifica un errore degli amplificatori che con un ingresso nullo possono avere una tensione di uscita non nulla. È un errore molto sentito quando si amplifica un segnale di un sensore ad esempio, perché viene sommata una tensione al valore del sensore.

Quando si va ad analizzare un circuito con amplificatore operazionale si considera il modello ideale del componente, quindi con correnti di ingresso nulle, cortocircuito virtuale e uscita schematizzata come un generatore senza resistenza in serie. La corrente di ingresso non è nulla nella realtà, vedremo quindi come ridurre questa influenza. Inoltre fino ad ora non abbiamo considerato la tensione di alimentazione; Ovviamente il segnale in uscita non potrà mai essere superiore alla tensione di alimentazione, ovvero se in ingresso ho 1V e lo amplifico di 10 volte in uscita avrò 10V solo se l’alimentazione è superiore a 10V o al massimo uguale in caso di amplificatori operazionali “rail to rail”. Quindi il segnale in uscita massimo in modulo (sia in valore positivo che negativo) non può essere maggiore della tensione di alimentazione.
 




AMPLIFICATORE NON INVERTENTE

Per amplificatore non invertente si intende un amplificatore che realizza una funzione di amplificazione a valore positivo, ovvero avremo Vout = G*Vin. Per realizzare questa funzione serve un operazionale e due resistori:

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Consideriamo i principi teorici visti prima; avremo che per il cortocircuito virtuale V1 è 0, ovvero sui due ingressi vi sarà la stessa tensione e inoltre nel pin invertente e non-invertente non scorre corrente.

Così facendo Vin la ritroviamo al pin non invertente. Si crea quindi una corrente in R2 data da Vin/R2. Visto che nel pin non invertente non scorre corrente (I=0) Vin/R2 coincide con IF, IF scorre in RF e crea una caduta di tensione data da (Vin/R2)IF. Queste due tensioni si sommano quindi Vout = Vin + (Vin/R2)RF = Vin (1+RF/R2). Il guadagno è definito come Vout/Vin, quindi il guadagno in questo caso è G=(1+RF/R2).

Per quanto riguarda l’alimentazione lo schema funziona sia con alimentazione duale che singola tranne per qualche integrato. Con una piccola modifica funziona con alimentazione singola ogni amplificatore operazionale. I vari circuiti per ogni applicazione sono:

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Nell’immagine sovrastante potete vedere prima un amplificatore non invertente con alimentazione duale e guadagno pari G=(1+4.7/1)=5.7. Per quanto riguarda l’alimentazione essa è duale ovvero composta da un terminale di massa centrale e altri due fili uno con tensione positiva e uno con tensione negativa rispetto la massa. Ad esempio si possono avere +12V e -12V.

Nella seconda immagine vi è una sola alimentazione, quindi singola, con positivo e GND. Per creare una massa fittizia si usano due resistori e un condensatore C1. Ai capi di C1 per via del partitore resistivo tra R5 ed R6 vi sarà una tensione pari a VCC/2 ovvero metà alimentazione. Quindi le forme d’onde di ingresso oscillano intorno a VCC/2. Misurando l’uscita con tensione di ingresso nulla non si avranno 0 V ma VCC/2. Il guadagno e la forma d’onda dell’uscita sono uguali al caso precedente.

Gli schemi visti sopra sono ideali per tensioni di ingresso sinusoidale, ovvero con segnale positivo e negativo. Se si usano sensori come LM35 esso ritorna una tensione solo positiva che può essere così amplificata:

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Nel primo schema si ha sempre un guadagno di 4.7 volte quindi se il sensore genera 100mV in uscita troverò 470mV. Questo schema si usa per accoppiare i sensori ai convertitori ADC ad esempio. La seconda immagine è un BUFFER ovvero un amplificatore non invertente con guadagno unitario. Ha quindi guadagno 1 e anche se sembra inutile è molto utile se ad esempio il segnale di ingresso proviene da un sensore con resistenza di uscita elevata. Per evitare di degradare il segnale si usa il circuito visto nella seconda immagine. Il secondo schema funziona anche con alimentazione duale oltre a funzionare con alimentazione singola.

 

AMPLIFICATORE INVERTENTE

Per amplificatore invertente si intende un amplificatore che realizza una funzione di amplificazione a valore negativo, ovvero avremo Vout = -G*Vin. Il segno meno vuol dire solo una inversione di fase; se amplifico un segnale sinusoidale avrò in uscita sempre un segnale sinusoidale ma invertito di 180° ovvero se la prima semionda in ingresso è positiva in uscita avremo una semionda negativa, se invece amplifico una tensione continua di valore 3V ad esempio in uscita avò una tensione negativa, ad esempio -15V se l’amplificatore ha un guadagno pari a 5. Per realizzare questa funzione servono come nel caso precedente un operazionale e due resistori:

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Consideriamo i principi teorici visti prima; avremo che per il cortocircuito virtuale V2 è 0, ovvero sui due ingressi vi sarà la stessa tensione e inoltre nel pin invertente e non-invertente non scorre corrente.

Così facendo Rin avrà ai capi Vin e la massa, quindi scorre in essa una corrente data da Iin=Vin/Rin. Visto che nel terminale invertente dell’amplificatore operazionale non scorre corrente la corrente “Iin” non ha altro ramo in cui scorrere se non nel ramo di “RF”. In “RF” per via della corrente si crea una caduta di tensione data da VRF=RF IF = RF Iin. La “Vout” per via del cortocircuito virtuale è anche uguale a VRF però visto che Vout ha la punta sul nodo di uscita mentre la VRF ha la punta al contrario allora la Vout = -VRF.

Unendo le equazioni di “Iin” con quella della tensione “Vout” si ottiene che Vout = -Vin (RF/Rin) e di conseguenza il guadagno sarà uguale a G=-(RF/Rin).

Per quanto riguarda l’alimentazione lo schema funziona sia con alimentazione duale che singola tranne per qualche integrato. Con una piccola modifica funziona con alimentazione singola ogni amplificatore operazionale. I vari circuiti per ogni applicazione sono:

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Il primo schema rappresenta un amplificatore invertente con tensione di alimentazione duale. L’ingresso può essere sia una fonte alternata o in tensione continua. Il guadagno sarà G=-R2/R1=4.7 volte. Visto il guadagno negativo la forma d’onda in ingresso viene ribaltata come da figura. Nella seconda immagine l’alimentazione è singola ma si crea una massa virtuale a valore VCC/2 in modo tale da simulare una alimentazione duale. Il segnale di ingresso e la tensione di uscita non oscillano intorno a 0V ma oscillano intorno al valore VCC/2. Il terzo schema rappresenta un amplificatore con alimentazione singola e ingresso in tensione continua. Ovviamente visto che l’alimentazione è solo positiva non si possono avere in uscita valori negativi e visto il segno negativo del guadagno la tensione di ingresso deve essere negativa. Il primo schema lavora con qualsiasi ingresso.

 

DOWNLOAD

Potete scaricare la simulazione dei circuiti con MULTISIM14 al seguente LINK!!!



 

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COME UTILIZZARE GLI AMPLIFICATORI OPERAZIONALI ultima modifica: 2017-12-20T12:15:50+00:00 da ne555
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