Introduzione agli Amplificatori Operazionali (OpAmp)

E’ doveroso:

  1. ringraziare Mick per la revisione dell’articolo che gentilmente mi ha concesso.
  2. Avvisare i lettori che quanto segue potrebbe essere abbastanza “ostico” .

Vediamo oggi di spiegare cosa sono e come funzionano (sempre a livelli comprensibili per tutti, don’t worry) gli amplificatori operazionali (in tensione).

al termine amplificatore posso arrivarci, ma perchè operazionale?

la risposta al solito è abbastanza semplice ed è dovuta principalmente al fatto che furono utilizzati in primis nei circuiti analogici per fare semplici operazioni matematiche (somme,moltiplicazioni,integrazioni) 🙂
Prima di procedere con lo studio dell’ amplificatore operazionale introduciamo l’amplificatore differenziale:si tratta di un dispositivo rappresentato nella seguente figura

opamp3.jpg

Senza entrare nel dettaglio del suo schema equivalente la tensione di uscita di questo amplificatore è in fase con la tensione applicata al terminale di ingresso indicato col simbolo + ed e sfasata di 180˚ rispetto al segnale applicato al terminale di ingresso indicato col simbolo –, per questo motivo i suddetti terminali vengono detti ingresso invertente ed ingresso non invertente dell’amplificatore.
Si definisce guadagno di tensione Av dell’amplificatore il rapporto tra la tensione di uscita Vo e la tensione Vs applicata tra i morsetti non invertente e invertente.

Av=Vo/Vs

Si considera, per semplicità, un amplificatore differenziale ideale: viene definito ideale un amplificatore differenziale in cui la tensione di uscita dipende esclusivamente dalla differenza delle tensioni in ingresso; questa condizione può essere verificata se la resistenza di ingresso è infinita e quella di uscita è nulla.
Come già introdotto sopra l’amplificatore operazionale viene utilizzato per realizzare operazioni specifiche come somma, moltiplicazione, integrazione e, ovviamente, tutte le rispettive operazioni inverse: in queste applicazioni il ruolo centrale dell’ amplificatore operazionale e’ quello di un amplificatore differenziale ideale con un ulteriore proprietà: guadagno di tensione infinito.
Il comportamento dell’amplificatore operazionale ideale in definitiva e’ legato alle sue caratteristiche:

  • Resistenza di ingresso infinita
  • Resistenza di uscita nulla
  • Guadagno di tensione infinito
  • Larghezza di Banda (BW) infinita

Queste caratteristiche comportano delle importanti implicazioni che costituiscono dunque le ipotesi per lo studio del comportamento dell’amplificatore operazionale in tutte le sue configurazioni:

  • La differenza delle tensioni in ingresso e’ nulla
  • Le correnti in ingresso sono nulle

In realtà un amplificatore operazionale ideale e‘ caratterizzato da numerose altre proprietà che per semplicità non verranno menzionate.

Nel caso ideale dunque la relazione che lega tensione Vs a tensione di uscita Vo può essere visualizzata nel seguente grafico:

ideale.jpg

dove i valori +S e – S sono chiamati di saturazione positiva e negativa e risultano circa uguali (in modulo) alla tensione di alimentazione dell’operazionale stesso.Come si nota dal grafico, questo tipo di dispositivo risulta nella pratica poco utilizzabile poichè anke per valori molto piccoli di Vs l’uscita Vo assumerà valore massimo.
Per risolvere il problema e, lavorare quindi in zona lineare, l’amplificatore viene “retroazionato negativamente” riportando parte della tensione di uscita all’ingresso invertente. In questo modo il guadagno di tensione diminuisce ma la tensione di ingresso può variare in un campo più vasto, senza rischiare di saturare il dispositivo.
Si considerano ora i circuiti fondamentali che utilizzano l’amplificatore operazionale; l’analisi di questi circuiti viene condotta in funzione delle ipotesi esposte in precedenza

Modalità invertente

Lo schema è quello in figura sotto e prevede l’ingresso sul piedino negativo (ingresso invertente) e una retroazione dall’uscita all’ingresso attraverso una resistenza R2 che permette come detto la linearità dell’amplificazione.

invertente2.jpg

La formula da ricordare per il guadagno è la seguente:

Av= – R2/R1

se questo è il guadagno significa che la tensione in uscita è:

Vo=Vin*G

cosa mi dice questa formula?
beh semplicemente che la tensione in uscita è quella in ingresso moltiplicata per un fattore che dipende dai valori delle 2 resistenze, una sull’ingresso e una in retroazione;agendo sul loro rapporto cambieremo dunque l’uscita.

si ma perchè invertente?

il termine invertente deriva dal fatto che il guadagno è negativo: se Vin si alza Vout si abbassa.(vedi grafico sotto)

Quindi posso lavorare sulle resistenze a mio piacimento per aumentare il guadagno quanto voglio?

Come già detto in precedenza la risposta è no.L’opamp lavora in regime lineare fino ad un certo punto dopo di che satura, cioè ad ingressi elevati la tensione di uscita rimane costante.Per sapere di più sulle caratteristiche del vostro integrato consiglio di guardare sempre il datasheet .

invertente.jpg

Modalità non invertente

In questo caso l’ingresso non è più nel piedino (-) ma in quello (+).Il segnale in uscita ha lo stesso segno di quello in ingresso e lo schema di collegamento potete vederlo qui sotto:

opamp2.jpg

Il guadagno di amplificazione è:

Av=(R2+R1)/R1

al solito:

Vo=Vin*G

in questo caso se aumenta V1 aumenterà anke Vo poichè cresce la differenza tra i due piedini in ingresso.

ninvert.png

Modalità Buffer

Il circuito non amplifica e quindi l’uscita sarà uguale a quella in ingresso.Il compito principale è quello di adattamento di impedenza: infatti in ingresso l’impedenza è molto alta mentre in uscita molto bassa. L’operazionale per la seconda ipotesi non assorbe corrente al morsetto + (quindi impedenza = Vi / I = infinito) quindi e’ in grado di fornire in uscita lo stesso segnale in tensione di ingresso senza però caricare la sorgente (ecco spiegata l’utilita’ del buffer in lunghe catene di pedali). A riguardo del concetto di impedenza vi rimando a questo post.

Lo schema è il seguente:

buffer.bmp

Modalità Differenziale

Ovvero l’unione di un modello invertente e uno non invertente. Lo schema è questo:

diff.png

e l’uscita Vout di cui vi riporto la formula è:

Vo= V2*[(R2+R1)/(R3+R4)]*R4/R1 – V1*(R2/R1)

Bisogna far notare che la banda passante di tutti queste configurazioni non è infinita ma dipende dal guadagno stesso :per ogni dispositivo è dato nelle caratteristiche un “Prodotto Guagagno Banda ” .

Banda*Guadagno=K

Questo numero K fissato ci fa capire che aumentando il guadagno perdo in banda passante e viceversa.
Per ora forse è meglio fermarci qui ma di cose ce ne sarebbero molte: ad esempio se mettessimo un condensatore in retroazione potremmo ottenere un integratore e con altre modifiche un derivatore. Questo è solo un piccolo assaggio del mondo degli opAmp, se siete curiosi sotto riporto dei link.

PS

Ho cercato di essere più conciso possibile.Se qualche elettronico “puro” dovesse leggere non si arrabbi 🙂 . il mio proposito è stato solo quello di dare un infarinatura molto vaga senza soprattutto spiegare le formule.
Se volete qualcosa di più concreto leggete qui:

http://www.etec.polimi.it/studenti/matdid/OpAmp/
http://pc31.fauser.it/operazio/operazionale.htm

Stay tuned

14 risposte a “Introduzione agli Amplificatori Operazionali (OpAmp)”

  1. 🙂 faccio quello che riesco cmq grazie a te mick x le correzioni..ah ..quel tutorial per spiegare passo passo un distorsore si può fare!

  2. Sei sempre all’opera! Ammiro il fatto che non costruisci solo ma cerchi di capire e far capire cosa cè dentro il circuito di un effetto, BRAVO!

  3. grazie ALE 🙂 spero che alla gente interessi e capisca che se vuole produrre pedali è fondamentale capire come sono fatti senza copiare gli schemi e basta.

  4. sn un chitarrista d 16 anni e volevo capire cm funzionano gli ampli……e nn c ho capito un fico seccooooooooooooooooooo!!!!!!!

  5. Wow, a distanza di anni, queste informazioni sono ancora immensamente utili. Ben strutturate, ben spiegate. Ora faccio un giro, perché sono arrivato a questa pagina tramite google. Spero che sia in continuo sviluppo questo sito.
    Congratulazioni agli autori!

  6. Ciao a tutti sono Paolo, ho un sensore hall che mi da una uscita che varia da 2.4 a 2.7V.
    Questa variazione di 0.3 V vorrei portarla a circa 5V , cioè da 0 a 5V .
    Potete dirmi quale schema migliore potrei adoperare?
    Grazie molte .Paolo

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