Gli amplificatori operazionali (op-amp) sono componenti fondamentali nell'elettronica, utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, dall'amplificazione di segnali audio ai sistemi di controllo. Per capire appieno il loro funzionamento e ottimizzare le loro prestazioni, è essenziale comprendere come vengono alimentati e quali sono i parametri che influenzano il loro comportamento.
Parametri e Prestazioni degli Amplificatori Operazionali
In alcuni casi le prestazioni differenti degli amplificatori operazionali reali rispetto a quelli ideali, producono errori inaccettabili. Ecco alcuni parametri chiave che influenzano le prestazioni degli amplificatori operazionali:
- Corrente di polarizzazione di ingresso (Input Bias Current): L'ingresso dell'amplificatore operazionale in realtà ha un assorbimento di corrente; se realizzato a BJT è dovuto alle correnti di base per la polarizzazione in zona attiva, se realizzato a FET è dovuto alle correnti di perdita tra gate e canale polarizzati inversamente.
- Corrente di offset: Le correnti di bias non sono uguali, poiché non si ha una perfetta simmetria differenziale. Si definisce corrente di offset: \( I_{os} = |I_B^+ - I_B^-| \). Per operazionali a BJT le correnti di offset sono nell'ordine dei 200 nA, mentre per quelli a FET sono intorno ai 10 pA. Per minimizzare gli effetti conviene avere valori di resistenza di retroazione non eccessivi.
- Tensione di offset di ingresso: Si è visto che, anche se non viene applicato alcun segnale in ingresso, a causa delle correnti di polarizzazione la tensione di uscita non è nulla. Il contributo non desiderato della tensione di offset può essere trascurato se molto minore del segnale di ingresso. Sui manuali sono presenti i valori dichiarati dai costruttori e molti amplificatori operazionali in commercio hanno terminali per la regolazione dell'offset.
- Deriva termica: Anche le variazioni di temperatura contribuiscono a modificare le caratteristiche degli operazionali. Il parametro di deriva termica è specificato sui manuali.
- CMRR (Common Mode Rejection Ratio): Il CMRR esprime il rapporto tra sensibilità ai segnali differenziali e sensibilità ai segnali di modo comune. Nel caso ideale è pari a infinito, mentre valori reali tipici sono compresi tra 80 e 120 dB.
- Slew Rate: E' definito come la velocità di variazione dell'uscita dell'operazionale quando l'ingresso è un segnale a gradino. Anche questo parametro è presente sui manuali e viene espresso in V/μs. Valori tipici per un guadagno unitario sono 0,5 V/μs per il μA741 e 70 V/μs per l'LM318.
- Risposta in frequenza: Il guadagno ad anello aperto diminuisce all'aumentare della frequenza. Il prodotto guadagno per larghezza di banda (chiamato GBP = gain bandwidth product o GBW = gain bandwidth) è costante.
La seguente tabella riassume l'influenza di alcuni parametri sulle prestazioni degli amplificatori operazionali:
| Parametro | Influenza sulle Prestazioni |
|---|---|
| Corrente di polarizzazione di ingresso | Provoca cadute di tensione sulle resistenze del circuito, portando la tensione di uscita ad un valore diverso da zero anche in assenza di segnale in ingresso. |
| Corrente di offset | Causa una tensione di uscita non nulla anche in assenza di segnale in ingresso, a causa della dissimmetria differenziale. |
| Tensione di offset di ingresso | Influenza la tensione di uscita, causando un errore anche in assenza di segnale in ingresso. |
| Deriva termica | Modifica le caratteristiche dell'operazionale in base alle variazioni di temperatura. |
| CMRR | Influenza la capacità dell'operazionale di reiezione dei segnali di modo comune. |
| Slew Rate | Limita la velocità di variazione del segnale di uscita. |
| Risposta in frequenza | Influenza il guadagno dell'operazionale in funzione della frequenza del segnale in ingresso. |
Alimentazione Singola vs. Alimentazione Duale
Tipicamente gli opamps vengono alimentati con alimentazione duale, ma con alcuni trucchi che vedremo di seguito è possibile gestirli anche con una tensione 0V-9V.
Prima di iniziare richiamiamo il significato di segnale duale, sia esso un'alimentazione duale o un segnale generico quale un segnale audio, ECG, Video o qual si voglia segnale. Un segnale si definisce duale quando la sua ampiezza varia, rispetto ad un riferimento, sia in senso positivo che negativo, ovvero può essere sia maggiore che minore del riferimento.
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Questo possiede un riferimento, ovvero la massa a 0V e due tensioni una positiva ed una negativa, valori tipici sono +12V, 0V e -12V. Dire +12V significa che misurando la tensione (ovvero la differenza di potenziale d.d.p) tra la massa e il connettore "rosso", si misurano +12V. Da un punto di vista fisico, significa che il connettore rosso si trova ad un potenziale più alto del riferimento. Misurando la differenza di potenziale tra la massa e il connettore negativo si misurano invece -12V. Questo significa che il polo negativo si trova ad un potenziale più basso di quello di riferimento.
Riassumendo, quando si parla di alimentatore duale è come se si avesse un alimentatore a tensione doppia ma con un punto di riferimento al centro del suo valore massimo.
Problemi con l'Alimentazione Singola
Consideriamo il caso in cui si voglia amplificare con guadagno -2 un segnale ad onda sinusoidale 1Vpp (picco-picco) e di frequenza 1KHz. Il nostro semplice circuito, prelevato da un qualsiasi testo di elettronica di base, ha amplificato il segnale dando in uscita un segnale ben diverso da quello in ingresso, ovvero il circuito non funziona (spesso i libri fanno uso implicitamente di alimentatori duali)!
La ragione è legata al fatto che il nostro segnale è duale, ovvero risulta, in certi istanti temporali di valore negativo. La parte del segnale negativa viene tagliata (traccia gialla) a causa del fatto che l´operazionale è alimentato con alimentatore singolo, dunque il segnale in uscita risulta distorto. Si noti in particolare che la parte positiva della traccia gialla, è effettivamente pari a 1V di picco. Dunque la nostra uscita non riesce ad andare sotto 0V (in realtà scende di poco sotto lo zero a causa di un fenomeno descritto a breve) poiché l'alimentazione è singola, ma in realtà il nostro segnale in ingresso, pur essendo negativo è stato in un certo qual modo accettato dall'ingresso.
Questo non deve trarre in inganno e far pensare che l'ingresso possa essere negativo di un qualunque valore e far funzionare a “metà” l'uscita. Infatti l'ingresso non deve mai assumere valori in ingresso che siano più bassi di 0,7V rispetto all'alimentazione negativa (nel nostro caso 0V) o essere maggiore di 0,7V rispetto all'alimentazione positiva. La conduzione dei diodi interni può dare origine al fenomeno del latch-up ovvero della saturazione ed inversione di polarità dell'uscita.
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Soluzioni per l'Alimentazione Singola
A questo punto cerchiamo di risolvere il problema nel caso in cui si voglia far funzionare il circuito con soli 12V, ovvero con una batteria. Il trucco sta nel considerare i 12V come se fossero derivanti da un alimentatore duale la cui ampiezza sia la metà della tensione della batteria (alimentazioni non simmetriche potrebbero anche essere utilizzate senza problemi), ovvero +6 e -6V. Per fare questo è però necessario realizzare un punto di riferimento di mezzo ovvero i nostri 0V. Questo deve essere realizzato creando un punto che rispetto alla massa originale, sia posto a 6V, ovvero a metà dei 12V. Rispetto a questo nuovo punto di riferimento la vecchia massa di riferimento sarà a -6V mentre i 12V saranno +6V.
Un modo per ottenere il potenziale di mezzo, ovvero la massa virtuale, è riportato in Figura 5, cioè facendo uso di un partitore di tensione (maggiori informazioni sul partitore di tensione sono riportati nel seguente Tutorial) e collegando il punto di mezzo all'ingresso non invertente.
Si capisce che dal momento che la nostra alimentazione è ±6V ed il nostro guadagno in modulo è pari a 2V/V, si ha che il nostro segnale potrebbe avere al massimo un valore di 6Vpp ( ±3V). Si noti che in parallelo ad R4 si è posto un condensatore. Questo viene fatto al fine di limitare il rumore termico derivante dai resistori del partitore di tensione.
Utilizzo di Buffer e Regolatori Lineari
La soluzione ora presentata la si può anche trovare ponendo un buffer (amplificatore a guadagno unitario) sul partitore di tensione. Il vantaggio principale nell'utilizzare un operazionale è quello di ottenere una sorgente in tensione a bassa impedenza (cosa richiesta per avere un generatore di tensione) e la possibilità di alimentare diversi dispositivi, nel limite delle caratteristiche di uscita dell'operazionale stesso, evitando quindi di caricare eccessivamente il partitore di tensione causandone uno sbilanciamento che può alterare il livello della tensione desiderata.
Come regolatore lineare può essere utilizzata la serie 78Lxx o regolatori lineari dedicati a realizzare riferimenti in tensione. Il vantaggio dei riferimenti in tensione per mezzo di regolatori lineari risiede nel fatto che il livello di tensione può spesso essere scelto in un'ampia gamma di valori raggiungendo tolleranze inferiori all'1%, inoltre l'uscita è protetta contro i cortocircuiti, nonché possiedono al loro interno un buffer sufficiente a pilotare carichi di decine o centinaia di mA.
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Amplificatore Operazionale Invertente e Non Invertente
In base alla configurazione del circuito, è possibile fare una distinzione tra due modalità di funzionamento: configurazione invertente e configurazione non invertente.
Amplificatore Operazionale Invertente
Un amplificatore operazionale invertente è un tipo di circuito op-amp dove il segnale di ingresso viene applicato all’ingresso invertente (“-“) dell’op-amp, e la retroazione viene utilizzata sull’ingresso non invertente (“+”). In questa configurazione, il segnale di uscita è in fase opposta al segnale di ingresso, da cui il nome “invertente”.
Amplificatore Operazionale Non Invertente
Un amplificatore operazionale non invertente è un circuito op-amp in cui il segnale di ingresso viene applicato direttamente all’ingresso non invertente dell’op-amp. In questa configurazione, il segnale di uscita è in fase con il segnale di ingresso, con un guadagno positivo determinato dal rapporto tra le resistenze nel percorso di retroazione, più uno.
Confronto tra Amplificatore Operazionale Invertente e Non Invertente
Sia gli amplificatori invertenti che non invertenti hanno le loro specifiche applicazioni e utilità. Un amplificatore invertente è spesso usato quando è necessario un cambiamento di fase di 180 gradi tra ingresso e uscita. Questi sono utilizzati in una varietà di applicazioni, come sommatori, sottrattori e convertitori I/V.
D’altra parte, gli amplificatori non invertenti sono utilizzati quando non è desiderato alcun cambiamento di fase tra ingresso e uscita. Trovano utilizzo in applicazioni come follower di tensione, circuiti di guadagno controllato, e applicazioni dove è necessario un alto valore di impedenza di ingresso.
La scelta tra un amplificatore invertente e non invertente dipenderà, quindi, dai requisiti specifici del sistema o dell’applicazione.
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