Appunti di Elettronica per i sistemi biomedicali: amplificatore operazionale elettronica

Esercizio da esame

Qua non si dice niente sulla polarizzazione ottimale, quindi Vc potrà essere qualunque cosa, non per forza la metà di Vcc.

Dato che non c’è Re, Ve = 0. Quindi Vb = 0.7 V

Ib = (2-0.7)/13 kOhm = 0.1 mA

Ic = 50 * 0.1 = 5 mA

Vc = 12 - (1000 * 5 mA) = 7 V

Ie = Ic + Ib = 5.1 mA

Amplificatore operazionale

Trattiamo ora di un altro dispositivo utilizzato in elettronica. È un dispositivo a semiconduttore, come il transistor. L’amplificatore operazionale si presenta con 5 connettori esterni: 2 alimentazioni (una positiva ed una negativa), due ingressi (uno positivo ed uno negativo), e un’uscita. Gli ingressi hanno una tensione positiva, e l’altro tensione negativa.

L’amplificatore operazionale elabora una tensione in uscita pari alla differenza dei due ingressi (quello all’ingresso positivo - quello all’ingresso negativo) moltiplicata per un guadagno G.

Un amplificatore operazionale è un dispositivo elettronico attivo con:

• Alimentazioni: Vs+, Vs-
• Ingresso negativo (Negative input): V-
• Ingresso positivo (Positive input): V+
• Uscita (Output): Vout

Operazione

Esegue l’operazione:

dove:

• G è il guadagno (gain).
• Di solito è molto elevato, tipicamente tra 100.000 e 1.000.000 (100k – 1M).

L’amplificatore operazionale, a differenza del transistor, è un vero circuito, complesso, fatto da tanti transistor e tanti componenti elettronici. Vediamo lo schema di principio di un amplificatore operazionale.

Nell’amplificatore operazionale si ha un vero e proprio circuito elettronico implementato sul silicio. L’amplificatore operazionale ha un’impedenza di carico R molto alta in ingresso.

Questo ci piace, perché significa che i segnali in ingresso che questo amplificatore operazionale preleva dai circuiti a monte, li preleva interferendo pochissimo con il circuito a monte, perché ha un’impedenza molto alta. Se lo connettessi sul collettore di un transistor, non influenzerebbe l’amplificazione del circuito a transistor. Preleva un segnale in tensione interferendo molto poco con il circuito a cui è connesso.

Dualmente, la sua uscita può essere vista come un generatore di tensione che eroga tale tensione, con una resistenza di generatore molto bassa. L’amplificatore operazionale è in grado sulla sua uscita di fornire la corrente che richiede il carico per mantenere la tensione che riporta la sua formula costitutiva. Ha quindi un’impedenza d’ingresso molto alta ed una resistenza d’uscita molto bassa, che è una cosa che ci piace.

Caratteristiche ideali di un Op-Amp

• Impedenza di ingresso molto alta Ri nessuna corrente entra negli ingressi ⇒
• Impedenza di uscita molto bassa Ro
• Comportamento lineare

Vout = ( V+ − V− ) × G

• Guadagno infinito (G→∞)
• Nessun offset

Vout = ( V+ − V− ) × G

• Segnale non limitato dalle tensioni di alimentazione

Buffer

Vediamo che succede se prendo l’uscita e l’attacco all’ingresso negativo.

Qua ci ho guadagnato la stessa cosa di quando ho usato un buffer di corrente come il transistor. Prelevo una Vi con resistenza molto alta, e produco la stessa Vi con resistenza molto bassa. Ho cioè abbassato la resistenza dell’oggetto. È un modo per prelevare un segnale da un circuito non interferendoci. L’amplificatore operazionale connesso in questa maniera è un buffer di corrente.

Se ho un partitore di tensione, come ad esempio un sensore in un circuito di lettura, quando li metto insieme la partizione fra la resistenza del generatore e la resistenza di carico mi provoca un errore sul valore che leggo, perché il valore presente sul lettore sarà dato da

Questo è un errore, perché la lettura corretta è V1.

Se nel mezzo ci metto un buffer di corrente, transistor o operazionale, ecco che la tensione V2 che si applica all’operazionale è uguale a V1, perché l’impedenza in ingresso è altissima, quindi non interferisce, e riproduce al carico lo stesso valore, fornendogli tutta la corrente di cui il carico ha bisogno. Ecco che sul reader vedo esattamente V1.

In questo caso preferisco un operazionale rispetto ad un transistor.

Esempio: filtro RC con buffer

Frequenza di taglio del circuito:

Infatti, Rg e Rl non interferiscono con il filtro.

Amplificatore non invertente

Proviamo a mettere due resistenze. Sull'uscita del partitore prelevo il segnale e lo metto sull’ingresso negativo. L’amplificatore operazionale può essere utilizzato per amplificare un segnale di tensione.

Vo > Vi, effettivamente è un amplificatore.

Questo amplificatore è quasi ideale: impedenza di ingresso molto alta e impedenza di uscita bassa. Il termine tra parentesi è il guadagno.

Questo amplificatore operazionale è in configurazione non invertente perché non inverte, nel senso che Vo segue in fase Vi, non c’è un meno. Questa configurazione può solo amplificare, non può attenuare.

Amplificatore invertente

Si realizza mettendo il terminale positivo a massa.

L’uscita è invertita rispetto all’ingresso, e in base ai valori delle resistenze, questa configurazione può sia amplificare che attenuare. Mentre nella configurazione non invertente il segnale entra direttamente sul terminale positivo ed ha un’impedenza molto alta in ingresso, qua il terminale in ingresso entra su un nodo del circuito, e viene fuori che l’impedenza d’ingresso di questo circuito non è infinita, ma è Rb. Questo circuito non ha più il vantaggio di avere un’impedenza in ingresso altissima.

Dimostriamo che V- = 0. Il carattere dell’operazione è quello di voler fare in modo che ai suoi terminali ci sia la stessa tensione. Si sforza in modo che ai suoi terminali di ingresso ci sia la stessa tensione. Metto il segnale positivo a 0. Ipotizziamo che sul terminale positivo ci sia 1V. Allora in uscita ottengo (0 - 1)* G. Se il guadagno è gr