L'amplificatore operazionale

L'amplificatore operazionale si può considerare il componente elettronico integrato più usato per il fatto che ci possono essere diverse configurazioni di collegamento.
Il nome operazionale deriva dal fatto che all'inizio della sua invenzione veniva utilizzato per realizzare calcolatori analogici.
Visto dall'esterno l' OP-AMP è costituito da due ingressi e da una uscita, mentre all'interno è formato da diversi componenti tra cui anche i transistor (da qui il nome di integrato).
In base a come vengono collegati esternamente i componenti ad esso, varia la funzione dell' OP-AMP.

Il simbolo elettrico per rappresentarlo è il seguente:

dove:

+ : è l'ingresso non invertente (in figura è applicata la V1)
- : è l'ingresso invertente (in figura è applicata la V2)
Vo : è l'uscita

Se consideriamo l'ingresso invertente (-) posto a potenziale nullo (massa), in uscita avremo un segnale avente stessa fase (segno uguale) del segnale posto sull'ingresso non invertente (+) eventualmente amplificato.

Mentre se consideriamo l'ingresso non invertente (+) a massa, in uscita avremo un segnale amplificato di fase opposta (segno opposto) rispetto al segnale sull'ingresso invertente (-).

Se nessuno dei due ingressi è a potenziale nullo (massa) in uscita si ha una segnale amplificato uguale alla differenza dei due ingressi:

Vo = (V1 - V2) · A

Ovviamente senza l'ausilio di componenti esterni l'OP-AMP non è in grado di amplificare niente.
Per il suo corretto funzionamento l'OP-AMP ha bisogno di una tensione di alimentazione che di solito è duale (+ Vcc - Vcc), ma in alcuni casi può essere anche singola (+Vcc).
Quando si opera con tensione singola, l'ingresso che deve essere posto a massa nel caso di tensione duale, in questo caso deve essere posto a Vcc/2.

Vediamo ora le due configurazioni per realizzare amplificatori retroazionati.

configurazione invertente

In figura è rappresentata la configurazione invertente dell'OP-AMP.
Si nota che il segnale d'ingresso Vs è posto sull'ingresso invertente (da qui il nome della configurazione) e l'altro ingresso va messo sempre a potenziale nullo ( o Vcc/2 in base all'alimentazione).
Le due resistenze Rs e Rf regolano il guadagno dell'amplificatore in base alla seguente formula:

A = - (Rf / Rs)

il segno meno deriva dal fatto che il segnale in uscita ha fase inversa rispetto all'ingresso.

La Rs funge anche da resistenza d'ingresso, mentre la resistenza d'uscita è da considerarsi sempre nulla.

Se vogliamo realizzare un amplificatore invertente con guadagno 3 e resistenza d'ingresso di 3,3 Kohm, dovremo porre:

Rs = 3300 ohm (la resistenza di ingresso)
Rf = 3 x 3300 = 9900 ---> 10Kohm.

Con questa configurazione è possibile ottenere anche una attenuazione del segnale se si mette Rf < Rs.

E' scontato dire che in uscita non si può mai ottenere una tensione superiore a quella di alimentazione dell'OP-AMP stesso.

configurazione non invertente

Qui sopra è rappresentata la configurazione non invertente di un OP-AMP.
Con questo tipo di configurazione si ha una resistenza d'ingresso infinita e una resistenza di uscita nulla; se però si mette una resistenza tra la massa e l'ingresso non invertente, questa resistenza diventa quella di ingresso.

Il guadagno è dato dalla seguente formula:

A = 1 + (R2 / R1)

Si nota che in questo caso non si ha segno opposto (e infatti si sta usando la configurazione non invertente), e il guadagno minimo è unitario e quindi non si ottiene mai una attenuazione del segnale.