Amplificatori operazionali - nozioni generali (1)

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Uno dei principali dispositivi dell’elettronica analogica è l’amplificatore operazionale. Si tratta di un elemento circuitale più complesso, costituito internamente da una quantità di transistori maggiore di uno. In figura 1 è mostrato il simbolo elettronico dell’amplificatore operazionale.

L’ingresso dell’amplificatore è composto da una coppia di terminali: l’ingresso non invertente, rappresentato dal simbolo +, e l’ingresso invertente, rappresentato dal simbolo -. I terminali Vs+ e Vs- sono i terminali di alimentazione del dispositivo, rispettivamente positiva e negativa (positive/negative voltage supply). L'obiettivo è amplificare la tensione differenziale agli ingressi e portarla in uscita. 

Figura 1: amplificatore operazionale con relative tensioni e correnti.

Si indicano anche le correnti di polarizzazione (di bias) positiva, entrante nel terminale non invertente, e  negativa, entrante nel terminale invertente.

Oltre alla tensione differenziale in ingresso, si definisce la tensione di modo comune, che è la semisomma delle tensioni all'ingresso. In sintesi,

Amplificatore operazionale ideale

L’operazionale ideale porta con se alcune caratteristiche che lo rendono tale. Infatti,
  1. La corrente di polarizzazione è nulla, in virtù di una resistenza di ingresso infinita:
  2. La tensione di uscita è nulla quando all'ingresso differenziale non è applicato alcun segnale (circuito aperto);
  3. La resistenza di uscita è identicamente nulla;
  4. Il guadagno di tensione è infinito. La sua funzione di trasferimento sarebbe
    dove AD0 è il guadagno differenziale dell'operazionale.
  5. Il valore massimo (minimo) che può assumere l'uscita è dato dalla tensione della sorgente di alimentazione positiva (negativa)

Le regioni di funzionamento di un amplificatore operazionale ideale sono tre,
  • alto guadagno (lineare): l'operazionale lavora in alto guadagno quando la tensione differenziale è pari a zero;
  • saturazione positiva: la tensione sul terminale non invertente è maggiore della tensione sul terminale invertente;
  • saturazione negativa: la tensione sul terminale invertente è maggiore rispetto a quella sul terminale non invertente. 
Il grafico della caratteristica ideale è mostrato in figura 2.
Figura 1: caratteristica statica dell'operazionale ideale.

Si è detto che l'operazionale ideale lavora in regione di alto guadagno quando la tensione differenziale è nulla, ossia la tensione ai capi del morsetto non invertente è pari a quella sul terminale invertente. Questa condizione si definisce cortocircuito virtuale ed è giustificato dall'avere l'operazionale un guadagno differenziale idealmente infinito. Viene utilizzato nell'analisi di circuiti in continua (il segnale di ingresso è una tensione costante).
In figura 3 è mostrato il circuito equivalente di un amplificatore operazionale ideale.
Figura 3: circuito equivalente dell'operazionale ideale.

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