Come funziona l'amplificatore operazionale (O- Pamp)

Come Funziona un Amplificatore Operazionale?

Un amplificatore operazionale (Op-Amp) è un componente elettronico altamente integrato ampiamente utilizzato nei circuiti per l'amplificazione, la filtrazione, l'integrazione, la differenziazione e molte altre applicazioni. La sua funzione principale è quella di amplificare la differenza di tensione tra i suoi due terminali di ingresso. Ecco una spiegazione di come funziona un amplificatore operazionale e dei concetti chiave:

1. Struttura di Base

• Un amplificatore operazionale tipicamente ha cinque pin:

• Ingresso Non Invertente (V+): Terminale di ingresso positivo.

• Ingresso Invertente (V−): Terminale di ingresso negativo.

• Uscita (Vout): Segnale di uscita amplificato.

• Alimentazione Positiva (Vcc): Tensione di alimentazione positiva.

• Alimentazione Negativa (Vee): Tensione di alimentazione negativa.

2. Principio di Funzionamento

Assunzioni per un Amplificatore Operazionale Ideale

• Guadagno Infinito: Idealmente, il guadagno A dell'op-amp è infinito.

• Impedenza d'Ingresso Infinita: L'impedenza d'ingresso Rin è infinita, il che significa che la corrente d'ingresso è quasi zero.

• Impedenza d'Uscita Zero: L'impedenza d'uscita Rout è zero, il che significa che la corrente d'uscita può essere arbitrariamente grande senza influire sulla tensione d'uscita.

• Larghezza di Banda Infinita: Idealmente, l'op-amp può operare a tutte le frequenze senza alcuna limitazione.

Caratteristiche di un Amplificatore Operazionale Reale

• Guadagno Finito: In pratica, il guadagno A dell'op-amp è finito, tipicamente compreso tra dieci alla quinta potenza e dieci alla sesta potenza.

• Impedenza d'Ingresso Finita: L'impedenza d'ingresso effettiva non è infinita ma è molto alta (livello megaohm).

• Impedenza d'Uscita Non Zero: L'impedenza d'uscita effettiva non è zero ma è molto bassa.

• Larghezza di Banda Finita: La larghezza di banda effettiva dell'op-amp è limitata, tipicamente compresa tra centinaia di chilohertz e megahertz.

3. Modalità Operative di Base

Configurazione a Loop Aperto

Guadagno a Loop Aperto: Nella configurazione a loop aperto, il guadagno A dell'op-amp amplifica direttamente la tensione differenziale di ingresso.

Saturazione: A causa del guadagno elevato A, anche una piccola differenza di tensione di ingresso può causare la tensione di uscita a raggiungere i limiti delle tensioni di alimentazione (cioè Vcc o Vee).

Configurazione a Loop Chiuso

Retroazione Negativa: Introducendo la retroazione negativa, il guadagno dell'op-amp può essere controllato per operare in un range ragionevole.

Circuito con Retroazione Negativa: I circuiti comuni con retroazione negativa includono gli amplificatori invertenti, gli amplificatori non invertenti e gli amplificatori differenziali.

Short Virtuale e Apertura Virtuale: Nei circuiti con retroazione negativa, le tensioni ai due terminali di ingresso dell'op-amp sono quasi uguali (short virtuale), e la corrente d'ingresso è quasi zero (apertura virtuale).

4. Circuiti di Applicazione Comuni

Amplificatore Invertente

Struttura del Circuito: Il segnale di ingresso viene alimentato attraverso un resistore R1 all'ingresso invertente V−, e un resistore di retroazione Rf collega l'uscita Vout all'ingresso invertente V−.

Amplificatore Non Invertente

Struttura del Circuito: Il segnale di ingresso viene alimentato attraverso un resistore R1 all'ingresso non invertente V+, e un resistore di retroazione Rf collega l'uscita Vout all'ingresso invertente V−.

Amplificatore Differenziale

Struttura del Circuito: Due segnali di ingresso vengono applicati all'ingresso non invertente V+ e all'ingresso invertente V−, e un resistore di retroazione Rf collega l'uscita Vout all'ingresso invertente V−.

5. Riepilogo

Un amplificatore operazionale funziona amplificando la differenza di tensione tra i suoi due terminali di ingresso, con la funzionalità principale basata su un alto guadagno e meccanismi di retroazione negativa. Utilizzando diverse configurazioni di circuito, gli op-amp possono eseguire varie funzioni come l'amplificazione, la filtrazione, l'integrazione e la differenziazione. Comprendere i principi di funzionamento e i circuiti di applicazione comuni degli op-amp è essenziale per progettare e risolvere problemi in vari sistemi elettronici.