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AMPLIFICATORI OPERAZIONALI

CARATTERISTICHE GENERALI

Per amplificatore operazionale si intende generalmente un amplificatore che presenti le seguenti caratteristiche :

Durante il corso , di norma , si farà  riferimento  ad un generico A.O . ( detto “ A.O. ideale “   )  le cui caratteristiche  , rispetto a quanto sopra detto vengono ulteriormente estremizzate . Con questa procedura non si perdono , se non in misura poco significativa , le valenze di calcolo centrando invece in maniera più diretta gli obiettivi che , di volta in volta ci si propone .

Le caratteristiche di un A.O. Ideale  sono :

Un amplificatore operazionale può essere realizzato nei modi più disparati  : ad esempio usando transistori a giunzione , oppure ad effetto di campo .Per poter facilmente prevedere il suo comportamento quando viene inserito in un circuito , non si può pensare di utilizzare il suo schema completo , complesso ( molti transistor , diodi , resistenze .. ) e  fuorviante , ma conviene costruirsi un modello ( circuito equivalente ) che riesca a simularne il comportamento . Si indicherà , pertanto un modello che sia valido per qualunque tipo di A.O. , qualunque sia la costituzione interna . 

Nei circuiti  gli A.O si indicheranno con il simbolo di fig 1.

Come si può notare sono presenti due  ingressi ed  una uscita . Senza addentrarsi in una analisi circuitale che richiederebbe un  approfondito esame di quanto è presente “ dentro “ il componente , e che comunque esula dai nostri odierni interessi , ebbene i due ingressi vengono chiamati :

·    Invertente : il morsetto indicato con il segno –( meno ). Il pin 2 per un A.O. tipo mA 741.

·    Non invertente : il morsetto indicato con il segno + ( più ) . Il pin 3 per un A.O. tipo mA 741

Sempre , con riferimento alla fig.2 possiamo scrivere :

Vout  =  A ( V2 – V1 ) .( 2a) ;

Se indichiamo :  Vi =  ( V2 – V1 )  possiamo notare  :

Vout  = A Vi  .

 Il sistema  “ A.O. “con ingressi ed uscita si presenta come un sistema ad anello aperto ( open loop gain )  .

In realtà valori superiori a Vcc  non possono aversi . I massimi valori che si possono avere in uscita non possono superare le tensioni  di alimentazione dell’A.O. ( + o - Vcc ) .

In laboratorio si potrà verificare quanto detto. Per comprendere teoricamente questo bisognerebbe rifarsi alla struttura interna  dell’ A.O. Possiamo tuttavia dire che per un principio fondamentale della fisica non si può creare energia in misura maggiore di quanta se ne introduce : l’energia si trasforma ; ma se viene fornita dall’alimentazione una tensione Vcc , ad esempio di 15 v. , il segnale d’ingresso , amplificato in uscita , non può superare tale tensione.

In ogni caso  qualunque valore  viene dato in ingresso , nel caso di A.O. ideale ( ma anche reale ) in uscita si ha sempre Vout = + o - Vcc.

Questa situazione rende il sistema troppo rigido , poco gestibile : se infatti , qualunque valore dell’ingresso produce , in uscita ,Vout  = Vcc  molte funzioni e potenzialità vengono limitate.

Per ovviare a questo inconveniente ma non solo , si utilizza una struttura detta ad anello chiuso.

La fig.3 rappresenta un A.O. con funzionamento ad anello chiuso.

In sostanza un sistema ad anello chiuso , o sistema reazionato , consiste nel prelevare il segnale di uscita Vout  e nel riportarlo in ingresso .

fig.3

Il segnale di uscita può essere riportato in ingresso :

·        Se il segnale di uscita viene sommato al segnale di ingresso si ottiene ad ogni ciclo un aumento del segnale di uscita ,che riportato e sommato di nuovo all’ingresso , produce un continuo aumento portando in breve l’A.O. alla “ saturazione “ ovvero ai suoi livelli massimi.

·        Se il segnale di uscita viene riportato in ingresso sottraendolo all’ingresso stesso il segnale finale tenderà a stabilizzarsi. In tal caso i valori dell’uscita possono essere controllati . L’uscita assumerà valori gestiti dal progettista e da esso regolati a proprio piacimento.E’ questa la struttura cui faremo riferimento nella fase iniziale del corso. In breve i sistemi con reazione negativa presentano i seguenti vantaggi :

·    Una maggiore stabilità rispetto rispetto ai sistemi non reazionati .

·    Una banda passante più estesa.

·    Una variazione ed una possibile adattabilità alle esigenze del progettista delle resistenze di ingresso e di uscita.

·        In compenso si ha come svantaggio una diminuzione del guadagno

MASSA VIRTUALE.

Consideriamo l’A.O in fig.3 e poniamo il morsetto + a massa ( GND) ; Si ha  Vout = A ( 0 – Vi ) ovvero Vout = -A Vi  e quindi

Vi = - Vout / A  ; e quindi :

Lim_{A® ¥}Vi  = Lim_{A® ¥} ( - Vout /A ) =  0 .   8S«®­ò

se A ® infinito ( o comunque ha un valore grande 10⁶ ad esempio ) Vi assume un valore infinitesimale , piccolissimo . Si dice , pertanto che il morsetto” –“ ( meno ) è a “ massa virtuale “. Virtuale perché Il morsetto” – “non è realmente a massa ma è come se lo fosse perché il suo potenziale è talmente basso da potersi considerare a massa.