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Amplificatori operazionali

Il simbolo è un triangolo avente due ingressi e un uscita. Un ingresso con il segno "+" (non invertente) e uno con il segno "- "(invertente).
Nel caso ideale Aol (guadagno ad anello aperto) è infinito. Il componente viene alimentato da due tensioni con modulo uguale e verso opposto.

Operazionale ideale
L'uscita Vu è compresa tra i valori +Um e -Um (saturazione positiva e negativa) Zona lineare: 90° corrisponde ad Aol (che è infinito) Vu= Aol*Vd
Vd= Vu/Aol= Vu/oo= 0 (corto circuito virtuale tra gli ingressi).
Viene retroazionato per permetterne il funzionamento tramite un partitore formato da due resistenze che permettono alla tensione d'ingresso di variare per valori di un intervallo più vasto senza causarne subito la saturazione.
Av= Vu/Vi= 1+R2/R1

Operazionale reale
Ha alcuni parametri caratteristici: corrente di polarizzazione, tensione di offset d'ingresso, resistenza di ingresso, resistenza di uscita, Cmrr.

Corrente di polarizzazione di ingresso
L'operazionale assorbe in ingresso un a certa corrente necessaria per polarizzare i componenti BJT o FET presenti all'ingresso. Ib+ è la corrente che scorre nell'ingresso non invertente, Ib- quella che scorre nell'ingresso invertente. La media aritmetica delle correnti è la corrente di polarizzazione d'ingresso:
Ib= (|Ib+|+|Ib-|)/2
Per evitare l'errore causato da Ib viene inserita una resistenza di compensazione sul terminale non invertente pari a Rc=R/Rf questo solo se ci sono 2 correnti uguali, ma ciò non è possibile a causa della dissimmetria dello stato di ingresso quindi si ha una differenza tra le due correnti.

Tensione di offset
Dato che pur applicando una tensione in ingresso uguale a 0 si ottiene un uscita diversa da 0, dovuta alle dissimmetrie del dispositivo, si ottiene una traslazione orizzontale della transcaratteristica.
Per tensione di offset si intende quella tensione che applicata all'ingresso dell'operazionale ci fornisce un uscita uguale a 0. Se Vi è nullo abbiamo: Vu= (1+Rf/R)Vos.

Resistenza di ingresso
Resistenza differenziale (Rd), è la resistenza tra i due terminali d'ingresso( invertente e non invertente)
Resistenza di modo comune (Rc) quella tra oggni terminale con la massa.

Resistenza d'uscita
Anche la resistenza d'uscita nel caso reale non è zero ma comunque bassa (sui 100 Ohm).

Cmrr
Nella pratica la tensione d'ingresso dipende dal valore medio delle tensioni Vc= (V+ + V-)/2 , se l'operazionale è reale avremo l'uscita Vu= Aol*Vd+Ac*Vc, dove Ac è il guadagno dell'operazionale con la Vc applicata ad ambi gli ingressi.

Applicazioni lineari
Configurazione non invertente
Il guadagno in questo caso è sempre >0= a 1. Av= Vu/Vi + (R2/R1)
Il tratto lineare non ha più pendenza infinita ma dipendente dal rapporto tra le due resistenze, la pendenza è positiva e < di 90°. CMRR= Ad/Ac (deve essere più elevato possibile).
Configurazione invertente
In questo caso il guadagno è < di 0 dato dal fatto che il segnale è applicato al terminale invertente(-) e dipende dal valore delle resistenze.
In questo caso il tratto lineare della transcaratteristica ha pendenza negativa dipendente dalle resistenze R1, R2.
Av= Vu/Vi= -R2/R1

Buffer
Deriva dalla configurazione non invertente, con la diversità che il rapporto tra R2 e R1 è nullo. Quindi il guadagno(Av) sarà = a 1
Av= Vu/Vi= 1

Sommatore invertente
L'uscita è legata alla somma degli ingressi (es. V1 e V2).
Vu= -R(V1/R1+V2/R2) se R=R1=R2 allora Vu= -(V1+V2) la somma tra gli ingressi.
Il segno meno è dovuto al fatto che i segnali sono collegati all'ingresso invertente (-).
Il peso dei segnali dipende dalle resistenze in serie ai segnali. Se si vogliono ottenere segnali di uguale peso si scelgono resistenze uguali, (tutte compresa "R") cosi' da avere un uscita uguale alla "somma dei segnali d'ingresso V1 e V2.

Sommatore non invertente
A differenza di quello invertente i segnali sono collegati all'ingresso non invertente e quindi di conseguenza nelle espressioni di Vu non compare il segno meno.
Vu= V+*(1+Rf/R) dove per la sovrapposizione degli effetti V+=V1/2+V2/2 quindi sostituendo avremo:
Vu= (V1/2+V2/2)(1+Rf/R) dove: Av=1+Rf/R.

Amplificatore differenziale
La tensione di uscita è uguale alla differenza dei segnali d'ingresso moltiplicato per il guadagno del circuito.
con il partitore di tensione avremo che:
V+= (Rf/Rf+R)*Vi
V-=[R/(R+Rf)]*Vu+[Rf/(R+Rf)]*V2 (somma dei contributi di Vu e V2) sostituendo avremo:
Vu= (Rf/R)(V1-V2) dove: Rf/R= al guadagno dell'amplificatore.

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