Amplificatore operazionale - Caratteristiche

kykko_90
di kykko_90
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Scopri le caratteristiche fondamentali degli amplificatori operazionali, le loro configurazioni base e il funzionamento in zona lineare. Approfondisci il ruolo della retroazione e le differenze tra amplificatori ideali e reali, come l'LM741.

Concetti Chiave

  • L'amplificatore operazionale è composto da tre blocchi che insieme realizzano un amplificatore differenziale con guadagno elevato e resistenze ottimizzate.
  • Le configurazioni di amplificatore operazionale a loop aperto mostrano un guadagno interno elevato, rendendo la minima variazione di tensione di ingresso sufficiente per saturare l'uscita.
  • Il funzionamento in zona lineare richiede che i potenziali agli ingressi siano uguali, una condizione nota come "Principio della massa virtuale".
  • La retroazione negativa è essenziale per aumentare la zona lineare dell'amplificatore e prevenire la saturazione, migliorando la stabilità del funzionamento.
  • L'analisi delle caratteristiche di un amplificatore operazionale ideale rispetto a uno reale evidenzia che gli errori nella considerazione dell'ideale sono trascurabili.
Caratteristiche di un amplificatore operazionale

L'amplificatore operazionale è un dispositivo con una struttura interna abbastanza complessa, riassumibile in tre blocchi collegati in serie in grado da realizzare un amplificatore differenziale con guadagno elevatissimo, elevata resistenza di entrata, bassa resistenza di uscita, banda di frequenza larga e rapporto di reiezione di modo comune(CMRR) elevatissimo.
Il primo blocco è un amplificatore differenziale realizzato con componenti che hanno grande CMRR ed elevata resistenza di ingresso

[math]R_i[/math]
.Il secondo blocco ha la funzione di elevare il guadagno complessivo del blocco precedente, mentre il terzo blocco è in configurazione di inseguitore in uscita e, serve per ottenere una ridotta resistenza di uscita
[math]R_o[/math]
.

amplificatore operazionale

L'immagine sopra riportata è un amplificatore operazionale con uno schema equivalente ad un quadripolo.
la tensione di uscita

[math]V_o[/math]
assume l'espressione relativa all'amplificatore differenziale:

[math]
v_0=A_d \cdot v_d=A_{VOL} \cdot (v_p-v_n)
[/math]

dove:

[math]v_d=(v_p-v_n)[/math]
è il segnale differenziale e
[math]A_{VOL}[/math]
è l'amplificazione differenziale
[math]A_d[/math]
del dispositivo teoricamente ideale.

tabella caratteristiche amplificatore operazionale

Nella tabella riportata antecedentemente sono presenti le caratteristiche fondamentali di un amplificatore operazionale ideale e di quello reale generalmente usato(LM741).L'errore che possiamo commettere supponendo ideale l'amplificatore è talmente basso da essere trascurabile.

amplificatore-operazionale-invertente e non invertente-a loop-aperto

L'immagine qui sopra riportata, mostra le due configurazioni base degli amplificatori operazionali a loop aperto, con le due curve di saturazione. Tali configurazioni sono dette a loop aperto(anello aperto) poiché non sono presenti reazioni tra l'uscita e l'entrata. Le configurazioni riportate nell'immagine sono quella invertente(a sinistra) e quella non invertente(a destra).
Visto che abbiamo un elevatissimo guadagno interno

[math]A_{VOL}[/math]
è sufficiente una minima variazione(
[math]\Delta{v_d}= v_p - v_n[/math]
) della tensione di entrata per portare l'uscita o al livello alto di saturazione
[math]V_{OH}[/math]
o a quello basso
[math]V_{OL}[/math]
.
Se assumiamo come valore tipico di saturazione il 90% di
[math]V_{cc}[/math]
(con
[math]V_{cc}[/math]
=
[math]\pm[/math]
15) si ottiene che
[math]V_{OH}[/math]
è circa 13.5 V e
[math]V_{OL}[/math]
è circa -13.5 V.
Quindi possiamo dedurre che l'amplificatore operazionale lavora in zona lineare solo quando
[math]v_o[/math]
è proporzionale a
[math]v_i[/math]
in un intervallo di tensioni di ingresso
[math]\Delta{v_d}[/math]
estremamente limitato.
All'interno della zona lineare troviamo che i due terminali d'ingresso hanno lo stesso potenziale per cui:
[math]v_p=v_n[/math]
; questa condizione è tanto più vera quanto più grande è
[math]A_{VOL}[/math]
.
nel caso ideale
[math]A_{VOL}=\infty[/math]
e quindi
[math]\Delta{v_d}=0[/math]
.
Per risolvere il problema della saturazione e aumentare cosi la zona lineare del nostro amplificatore in maniera che possiamo utilizzarlo per lavorare è indispensabile introdurre una reazione negativa(detta retroazione) tra, il terminale d'uscita e l'ingresso invertente.
A causa della presenza della retroazione e dell'elevato valore della resistenza d'ingresso
[math]R_i[/math]
le correnti assorbite sono praticamente trascurabili; perciò possiamo scrivere:
[math]I_p=I_n=0[/math]
; da tale fatto possiamo dire che se un amplificatore lavora in zona lineare otteniamo le seguenti relazioni:
[math]v_p=v_n[/math]
;
[math]I_p=I_n=0[/math]

Queste due relazioni sono comunemente note come: "Principio della massa virtuale o Principio di cortocircuito virtuale".
Tali relazioni e situazioni sono utilizzabili solo nella fase lineare di lavoro.
Queste configurazioni di amplificatore possono essere usate nella zona di saturazione se si vuole ottenere ed usare un comparatore.

Studia con la mappa concettuale

Domande da interrogazione

  1. Quali sono le principali caratteristiche di un amplificatore operazionale?

    2. Un amplificatore operazionale è caratterizzato da un guadagno elevatissimo, elevata resistenza di entrata, bassa resistenza di uscita, banda di frequenza larga e un elevato rapporto di reiezione di modo comune (CMRR).

  2. Come si determina la tensione di uscita di un amplificatore operazionale?

    3. La tensione di uscita [math]V_o[/math] è espressa dall'equazione [math]v_0=A_d \cdot v_d=A_{VOL} \cdot (v_p-v_n)[/math], dove [math]v_d[/math] è il segnale differenziale e [math]A_{VOL}[/math] è l'amplificazione differenziale.

  3. Qual è l'importanza della retroazione in un amplificatore operazionale?

    4. La retroazione è fondamentale per aumentare la zona lineare dell'amplificatore, permettendo di evitare la saturazione e garantendo che [math]v_p=v_n[/math] e [math]I_p=I_n=0[/math], condizioni note come "Principio della massa virtuale".

  4. In quali configurazioni può operare un amplificatore operazionale?

    5. Un amplificatore operazionale può operare in configurazioni a loop aperto, come quella invertente e quella non invertente, e può anche essere utilizzato in zona di saturazione per funzionare come comparatore.

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