L'amplificatore operazionale (A.O.) è un dispositivo usato per effettuare operazioni matematiche su segnali elettrici. Internamente, un A.O. è costituito da transistor ed infine realizzandoli come circuiti integrati, riducendone drasticamente anche l'ingombro.
Il dispositivo è dotato di un'unica uscita vo e due ingressi, detti rispettivamente, ingresso non invertente ed ingresso invertente. Viene illustrata anche la costituzione interna dell'A.O. da cui si deduce che se v+>v- l'A.O. porta l'uscita al valore massimo possibile, altrimenti se v+ In pratica, l'A.O. viene utilizzato quasi esclusivamente con una connessione circuitale fra uscita ed ingressi del dispositivo (anello di reazione). Quest'ultima prerogativa si ottiene applicando in esso una opportuna retroazione che consente di far funzionare il dispositivo come amplificatore, dalla generazione di forme d'onda alla conversione analogico-digitale. Il funzionamento è illustrato nel disegno. Anche se si possono facilmente trovare operazionali ad alimentazione singola, per l'A.O. ad alimentazione singola, uno dei due terminali di alimentazione è connesso a massa ed il segnale è sempre applicato all'altro ingresso. Internamente, un A.O. è in grado di funzionare anche con modalità di tipo non lineare, per applicazioni non lineari, come ad esempio comparatore di tensione. Leggi anche: Installazione amplificatore auto: passo passo Oltre al CMRR altri parametri di interesse per l'A.O. sono: Quando l'A.O. presenta valori più elevate occorre parlare di impedenze di ingresso al posto delle rispettive impedenze. La struttura di ingresso dell'A.O. può essere rappresentata da un diagramma che passi per l'origine, dove il valore della Cid è di alcuni pF. Valori tipici di Rid sono: L'offset di tensione dipende dalla temperatura di lavoro dell'A.O. e può variare per esemplari differenti dello stesso tipo. In alcuni casi le prestazioni differenti degli amplificatori operazionali reali rispetto a quelli ideali, producono errori inaccettabili. Per un A.O. ideale la caratteristica statica (cioè deve avere un'uscita nulla. In pratica risulta sempre Ac≠0 anche se molto piccolo. L'offset di tensione può essere invertente e non invertente. Per ridurre l'influenza dell'offset sull'uscita si riporta a zero la tensione di offset all'ingresso. Leggi anche: Cavi Alimentazione: Cosa Sapere 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. La corrente di bias è definita come il valor medio delle correnti relative ai 2 ingressi: \( I_B = \frac{|I_B^+| + |I_B^-|}{2} \) Per operazionali a BJT le correnti di bias sono nell'ordine dei 500 nA, mentre per quelli a FET sono intorno ai pA. Queste correnti provocano delle cadute di tensione sulle resistenze del circuito che, di conseguenza, portano la tensione di uscita ad un valore diversi da zero anche se in ingresso non è applicato nessun segnale. Corrente di offset: Le correnti di bias non sono uguali, poiché non si ha una perfetta simmetria differenziale. Si definisce corrente di offset: \( I_{os} = |I_B^+ - I_B^-| \) Leggi anche: Guida ai Cavi di Alimentazione 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. \( v_o = - \frac{R_f}{R} \cdot v_i + ( 1 + \frac{R_f}{R} ) \cdot V_{OS} \) 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. Anche le variazioni di temperatura contribuiscono a modificare le caratteristiche degli operazionali. Il parametro di deriva termica è specificato sui manuali. E' definito come la velocità di variazione dell'uscita dell'operazionale quando l'ingresso è un segnale a gradino. \( SR = \frac{dv_o}{dt} |_{max} \simeq \frac{ \Delta v_o}{ \Delta t} |_{max} \) Anche questo parametro è presente sui manuali e viene espresso in V/μs. Valori tipici dello slew rate possono andare dai 0,5V/μs per l'A.O. μA741 e 70 V/μs per l'LM318. La risposta in frequenza ad anello aperto di un A.O. indica che il guadagno ad anello aperto diminuisce all'aumentare della frequenza. Ad esempio per il μA741 scende di 20 dB per decade. Il prodotto guadagno per larghezza di banda (chiamato GBP = gain bandwidth product o GBW = gain bandwidth) è costante e nel caso del grafico pari a 1 MHz. \( GBP = B \cdot A_{OL} \) Come si nota nel grafico, la larghezza di banda ad anello aperto coincide con la frequenza di taglio superiore (\( f_H \equiv B \)). Alla frequenza di taglio il guadagno si riduce di 3 dB. Per allargare la banda è necessario diminuire il guadagno. Ad esempio con G = 80 dB avremo B = 100 Hz, con G = 40 dB avremo B = 10kHz. 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. \)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. L'A.O. può funzionare anche con modalità di tipo non lineare, come ad esempio comparatore di tensione, monostabili e bistabili. Quando viene utilizzato come comparatore, l'amplificatore operazionale confronta due tensioni e fornisce in uscita uno dei due possibili stati in uscita. Il passaggio da uno stato all'altro può avvenire spontaneo o tramite una opportuna sollecitazione esterna. Un circuito bistabile è caratterizzato dall'avere due stati stabili. Il passaggio da uno stato all'altro può avvenire tramite un'opportuna sollecitazione esterna. Un circuito monostabile invece è caratterizzato dall'avere un solo stato stabile. Un esempio di dispositivo bistabile è un interruttore della luce: quando viene premuto, la luce si accende e rimane accesa fino a quando non viene premuto di nuovo. Un esempio di dispositivo monostabile è la luce di cortesia di un'automobile: quando viene aperta la portiera, la luce si accende e si spegne automaticamente dopo un certo periodo di tempo. I multivibratori sono circuiti in grado di passare da uno stato all'altro in modo ripetitivo, con tempi ben definiti. Hanno la prerogativa di non avere un ingresso; basta alimentarli. Il comparatore di tensione con isteresi in ingresso, può essere annoverato tra i dispositivi bistabili. Supponiamo di alimentare il comparatore con tensioni di alimentazione VCC e - 15V e di fissare le tensioni di uscita VOH= + 15V e VOL= 0V. Supponiamo che inizialmente Vi>V+ quindi Vo=VOH. Il diagramma di trasferimento potrà essere rappresentato dal diagramma riportato a fianco. Quando la tensione di ingresso Vi, con Vi crescente nel tempo, raggiunge la tensione VTH allora l'uscita si porta a VOL e V+=VTL. A questo punto una diminuzione della tensione Vi può far commutare l'uscita verso VOH. La differenza fra le due tensioni di soglia è detta isteresi. Se si pone R1=R2 si annulla il primo termine e si ha un ciclo di isteresi simmetrico. Le soglie dipendono dai valori delle resistenze del ciclo e dalle tensioni di saturazione. Il circuito può essere utilizzato per rivelare la presenza di un segnale di ingresso periodico e non periodico. Il comparatore non invertente con isteresi può essere studiato come nel caso precedente del circuito invertente. Nel caso di transizione da VOH a VOL la commutazione si verifica per Vi=VTH. In fase di progettazione, così si scelgono le resistenze e si progetta il dispositivo. Vf è la tensione a cui il condensatore tende (e tenta) a caricarsi. Se si considera un comparatore con riferimento a massa - VTL per cui avremo TH=TL . Se all’ingresso del comparatore (D) l'uscita si mantiene allo stato di saturazione positiva: Vo=VOH. Se all’ingresso del comparatore è applicato un impulso negativo inferiore VOL, allora l'uscita commuta allo stato inferiore VOL. Per riportare l'uscita allo stato di partenza occorre mandare un nuovo impulso negativo. Il tempo di uscita è detto TR. tags:
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Caratteristiche e Parametri dell'Amplificatore Operazionale
Resistenza di Ingresso
Offset di Tensione
Deriva Termica
Slew Rate
Risposta in Frequenza
Common-Mode Rejection Ratio (CMRR)
Amplificatore operazionale come comparatore