Amplificatore operazionale
Un amplificatore operazionale o op-amp è un amplificatore di tensione accoppiato in corrente continua con un guadagno di tensione molto elevato.
L'op-amp è fondamentalmente un amplificatore multistadio in cui diversi stadi di amplificazione sono interconnessi in modo molto complesso. Il suo circuito interno è costituito da molti transistor, FET e resistenze. Tutto ciò occupa uno spazio molto ridotto. Pertanto, viene impacchettato in un piccolo contenitore ed è disponibile sotto forma di Circuito Integrato (IC). Il termine Op Amp viene utilizzato per denotare un amplificatore che può essere configurato per eseguire varie operazioni come l'amplificazione, la sottrazione, la differenziazione, l'addizione, l'integrazione, ecc. Un esempio è il molto popolare IC 741.
Il simbolo e il suo aspetto reale nella forma di IC sono mostrati di seguito. Il simbolo appare come una freccia, che indica che il segnale fluisce dall'uscita all'ingresso.
Terminali di ingresso e uscita di un amplificatore operazionale
Un op-amp ha due terminali di ingresso e un terminale di uscita. L'op-amp ha anche due terminali di alimentazione di tensione, come si vede sopra. I due terminali di ingresso formano l'ingresso differenziale. Chiamiamo il terminale contrassegnato con il segno negativo (-) come il terminale invertente e il terminale contrassegnato con il segno positivo (+) come il terminale non invertente dell'amplificatore operazionale. Se applichiamo un segnale di ingresso al terminale invertente (-), allora il segnale di uscita amplificato sarà sfasato di 180o rispetto al segnale di ingresso applicato. Se applichiamo un segnale di ingresso al terminale non invertente (+), allora il segnale di uscita ottenuto sarà in fase, ovvero non avrà nessuno sfasamento rispetto al segnale di ingresso.
Alimentazione di un amplificatore operazionale
Come si vede dal simbolo del circuito sopra, ha due terminali di alimentazione di ingresso +VCC e –VCC. Per il funzionamento di un op-amp è essenziale un'alimentazione in corrente continua a polarità doppia. Nell'alimentazione a polarità doppia, connettiamo il +VCC all'alimentazione in corrente continua positiva e il terminale –VCC all'alimentazione in corrente continua negativa. Tuttavia, alcuni op-amp possono funzionare anche con un'alimentazione a polarità singola. Si noti che non c'è un terminale comune di massa negli op-amp, pertanto la massa deve essere stabilita esternamente.
Principio di funzionamento dell'Op-Amp
Funzionamento a ciclo aperto di un amplificatore operazionale
Come detto sopra, un op-amp ha un ingresso differenziale e un'uscita monofase. Quindi, se applichiamo due segnali, uno all'ingresso invertente e l'altro all'ingresso non invertente, un op-amp ideale amplificherà la differenza tra i due segnali di ingresso applicati. Chiamiamo questa differenza tra i due segnali di ingresso come la tensione di ingresso differenziale. L'equazione sottostante fornisce l'uscita di un amplificatore operazionale.
Dove, VOUT è la tensione al terminale di uscita dell'op-amp. AOL è il guadagno a ciclo aperto per l'op-amp dato ed è costante (ideale). Per l'IC 741, AOL è 2 x 105.
V1 è la tensione al terminale non invertente.
V2 è la tensione al terminale invertente.
(V1 – V2) è la tensione di ingresso differenziale.
È chiaro dall'equazione sopra che l'uscita sarà non-zero solo se la tensione di ingresso differenziale è non-zero (V1 e V2 non sono uguali), e sarà zero se sia V1 che V2 sono uguali. Si noti che questa è una condizione ideale, praticamente ci sono piccole imperfezioni nell'op-amp. Il guadagno a ciclo aperto di un op-amp è molto alto. Pertanto, un amplificatore operazionale a ciclo aperto amplifica una piccola tensione di ingresso differenziale applicata a un valore enorme.
Inoltre, è vero che se applichiamo una piccola tensione di ingresso differenziale, l'amplificatore operazionale la amplifica a un valore considerevole, ma questo valore significativo all'uscita non può superare la tensione di alimentazione dell'op-amp. Pertanto, non viola la legge di conservazione dell'energia.
Funzionamento a ciclo chiuso
Il funzionamento dell'op-amp spiegato sopra era per il ciclo aperto, cioè senza retroazione. Introduciamo la retroazione nella configurazione a ciclo chiuso. Questo percorso di retroazione alimenta il segnale di uscita all'ingresso. Pertanto, agli ingressi, sono presenti simultaneamente due segnali. Uno di essi è il segnale applicato originale, e l'altro è il segnale di retroazione. L'equazione sottostante mostra l'uscita di un op-amp a ciclo chiuso.
Dove VOUT è la tensione al terminale di uscita dell'op-amp. ACL è il guadagno a ciclo chiuso. Il circuito di retroazione connesso all'op-amp determina il guadagno a ciclo chiuso ACL. VD = (V1 – V2) è la tensione di ingresso differenziale. Diciamo che la retroazione è positiva se il percorso di retroazione alimenta il segnale dal terminale di uscita al terminale non invertente (+). La retroazione positiva viene utilizzata nei oscillatori. La retroazione è negativa se il percorso di retroazione alimenta parte del segnale dal terminale di uscita al terminale invertente (-). Utilizziamo la retroazione negativa negli op-amp utilizzati come amplificatori. Ogni tipo di retroazione, negativa o positiva, ha i suoi vantaggi e svantaggi.
Retroazione Positiva ⇒ Oscillatore
Retroazione Negativa ⇒ Amplificatore
La spiegazione sopra è il principio di funzionamento più basilare degli amplificatori operazionali.
Caratteristiche di un Op-Amp Ideale
