Gli amplificatori operazionali sono senza dubbio tra i circuiti integrati di più largo impiego: con essi è possibile infatti realizzare una vasta gamma di circuiti per gli usi più disparati.-

Ricordiamo :

L’operazionale ideale è caratterizzato dai seguenti parametri :

Amplificazione in tensione infinita

Resistenza di ingresso infinita

Resistenza di uscita nulla

Larghezza di banda infinita

In realtà, per limiti tecnologici e/o pratici , i valori sono molto più … reali, e spesso dipendono dai componenti di ‘contorno’ dell’ operazionale stesso

L’ operazionale generico è fornito di :

Come vediamo ci sono 2 ingressi: la differenza sostanziale tra i due è data da questa sorta di polarizzazione, dai segni ‘+’ e ‘-’ .-

In linea di massima si può dire che :

Dato che , come detto in precedenza, l’amplificazione in tensione è molto alta, ne risulta che una piccola tensione ad uno dei 2 ingressi porterebbe a saturare l’uscita, o meglio, ad avere in uscita la massima tensione disponibile , cioè +Vcc oppure –Vcc .- Questo succede anche se l’operazionale viene alimentato senza nessun segnale agli ingressi: ciò è dovuto alle inevitabili asimmetrie degli ingressi stessi.- Ne deduciamo, quindi, che l’operazionale così com’è è praticamente inutilizzabile.-

Per poter essere utilizzato necessita di una resistenza, definita ‘resistenza di reazione’: questa viene collegata tra l’uscita e l’ingresso invertente.- In pratica , riportando all’ingresso (invertente) una parte del segnale prelevato all’uscita, si effettua una reazione ‘negativa’; questo ci permette : da una parte, di evitare la saturazione dell’operazionale, e dall’altra di controllare in guadagno dell’intero stadio.-

Nello schema riportato possiamo evidenziare :

R2 , che è la Resistenza di reazione

R1 , è la Resistenza di ingresso

La presenza di queste 2 resistenze ci permette di calcolare il guadagno dell’intero stadio; in questo caso abbiamo un amplificatore ‘invertente’, infatti vediamo che il segnale di ingresso è stato applicato all’ingresso invertente.- Il Guadagno in tensione di questo stadio è dato da : G= - R2/R1

Il segno ‘-’ indica che l’amplificazione è negativa, cioè il segnale all’uscita sarà sfasato di 180°rispetto all’ingresso

In pratica, supponendo di avere utilizzato per R1 ed R2 dei valori identici, avremmo in uscita un segnale di ampiezza identica a quello di ingresso, però sfasato, come riportato in figura.-

Nello schema è presente anche la resistenza R3: questa resistenza normalmente ha un valore pari al parallelo tra R1 ed R2: serve per migliorare la stabilità, ma il suo valore non è affatto critico, al punto che si potrebbe anche omettere e collegare a massa l’ingresso ‘+’ dell’integrato.

Un grande vantaggio derivato dall’uso dell’operazionale, è senz’altro quello di poter variare il Guadagno dell’intero stadio semplicemente variando il valore di una resistenza, in modo da aumentare il rapporto R2/R1.- In genere si preferisce aumentare il valore di R2, piuttosto che abbassare il valore di R1; questo perché R1 rappresenta la Resistenza di ingresso dell’intero stadio, e quindi , per favorire il massimo trasferimento di segnale dallo stadio precedente, è bene cercare di non scendere sotto un certo valore (alcune decine di Kohm).- Per variare il Guadagno, quindi, è preferibile alzare il valore di R2.- Tornando all’esempio precedente, se per R2 scegliamo un valore di 100 Kohm e per R1 un valore di 10 Kohm, avremo uno stadio invertente che ha un guadagno pari a ‘10’, cioè il segnale all’uscita sarà 10 volte maggiore del segnale di ingresso, però sfasato.- Allo stesso modo, se vogliamo attenuare il segnale all’uscita della metà, dobbiamo scegliere per R2 un valore pari alla metà di R1, cioà 5 Kohm.-

E’ bene precisare che se si vuole avere un guadagno molto elevato è preferibile utilizzare più stadi amlificatori in cascata; se ad esempio si vuole amplificare un segnale di 100 volte, è meglio utilizzare 2 stadi la cui amplificazione sia pari a 10 (ognuno), che non un singolo stadio con amplificazione G= 100.- (Ricordo che l’amplificazione di 2 stadi in cascata si moltiplica, quindi 2 stadi con G=10 ognuno, daranno un Guadagno totale G= 10 * 10 = 100).-

Come detto più volte in precedenza, la configurazione ‘invertente’ fornisce in uscita un segnale sfasato di 180° rispetto all’ingresso.- Se il segnale viene invece applicato all’ingresso NON invertente, il segnale di uscita sarà perfettamente in fase con quello di ingresso.- In questo caso la configurazione di principio è la seguente:

il Guadagno in tensione, in questo caso, è dato da:

G = 1 + R2/R1.- Ciò equivale a dire che, per esempio, se abbiamo un segnale in ingresso di 1 V e vogliamo prelevare all’uscita un segnale di 10 V, dobbiamo scegliere per R2 ed R1 dei valori il cui rapporto dia ‘9’; infatti G=1 + R2/R1 = 1+ 9 = 10

L’alimentazione

Abbiamo visto prima che i pin per l’alimentazione sono contraddistinti da : +Vcc e da -Vcc ; ciò significa che l’operazionale deve (dovrebbe) essere alimentato con una tensione duale.-

In genere l’alimentazione è di +12V e –12V rispetto alla massa.- Questo ci permette, qualora ve ne fosse la necessità, di prelevare all’uscita del nostro circuito segnali variabili di ampiezza abbastanza elevata; infatti, se consideriamo che all’uscita possiamo prelevare un segnale di ampiezza quasi pari alla tensione di alimentazione (un paio di volt in meno per ognuno dei rami alimentazione +Vcc e -Vcc ), ecco che alimentando l’operazionale con +12V e -12V possiamo avere in uscita un segnale di ampiezza pari a 20 Vpp , cioè da + 10V a -10V .- Bisogna tenere in conto, chiaramente, il valore della tensione di alimentazione, in quanto ci da con buona approssimazione il massimo valore di ampiezza del segnale ottenibile in uscita: quindi, conoscendo eventualmente l’ampiezza del segnale in ingresso, possiamo calcolare facilmente la sua amplificazione massima per ottenere in uscita un segnale privo di distorsioni..- Se l’amplificazione dovesse essere troppo elevata, da ottenere teoricamente in uscita un segnale più alto (in Vpp) della tensione di alimentazione, ecco che il segnale in uscita verrebbe ‘tosato’.

In questa immagine possiamo vedere quanto appena detto: in blu, è il segnale in uscita; in verde e la parte di segnale ‘mancante’.

 In ultimo, aggiungo che ogni ramo di alimentazione, di norma, è collegato alla massa tramite 1 condensatore da 100nF , il più possibile vicino all’operazionale stesso: ciò per prevenire eventuali oscillazioni.-

 Gli amplificatori operazionali possono anche venire alimentati con una tensione singola : in questo caso si deve creare una massa ‘fittizia’, ricorrendo al classico partitore resistivo.-

Concettualmente si può fare riferimento allo schema a fianco.-

Ra ed Rb devono avere lo stesso valore, di modo che questa massa fittizia abbia un potenziale a metà tra 0 e 12 volt (cioè 6 volt).

In questo caso, essendo l’alimentazione di 12 volt, il massimo segnale prelevabile in uscita sarà di circa 10 Vpp.-

 L’offset

Oltre ai terminali già conosciuti, ve ne possono essere altri 2, definiti terminali di 'Offset'.- Questi servono a bilanciare l'uscita dell'integrato, cioè a metterla a '0' quando i 2 ingressi sono cortocircuitati a massa.- In precedenza abbiamo visto che i 2 ingressi, infatti, non sono perfettamente equivalenti, e quindi anche se collegati allo stesso potenziale avremmo in uscita una piccola tensione, anche di pochi millivolt o pochi decimi di volt.- Nel caso che questo stadio sia collegato 'in continua' (cioè senza condensatori di disaccoppiamento) con lo stadio seguente, anche questa tensione di verrebbe amplificata, e potrebbe portare disturbo e/o malfunzionamenti all'intero circuito.- Da ciò nasce evidentemente l'esigenza di bilanciare l'uscita se gli stadi sono accoppiati senza condensatori, ad esempio in amplificatori dove si vuole mantenere una banda passante il più ampia possibile.- Per correggere si utilizza un trimmer, i cui 2 terminali esterni sono collegati ai 2 pin di offset dell'integrato; il terminale centrale del trimmer (cioè il cursore) viene collegato alla tensione positiva o negativa a seconda del tipo di correzione richiesta dall'integrato .- Alcuni integrati non hanno terminali di offset : ciò non vuol dire che questo sbilanciamento non sia presente, ma solo che in questi integrati NON è correggibile ( da cui si deduce che tali integrati probabilmente è meglio usarli con accoppiamenti capacitivi agli stadi seguenti ) .-

  Nella figura a fianco è riportato un integrato che necessita di correzione Offset negativa ; tra gli integrati che permettono questo tipo di correzione ci sono i TL081 ed i uA741.- Altri integrati, come ad esempio i TL082 o i TL084 (che hanno al loro interno rispettivamente 2 e 4 TL081) non permettono nessun tipo di correzione offset.-

per ora mi fermo qui : la pagina verrà aggiornata al più presto !

DUKE