Amplificatore operazionale

I lezione __________________________________________________________

Tempi di svolgimento: 2 ore
Obiettivi: conoscere il simbolo circuitale, le caratteristiche ideali e lo schema equivalente dell’ AO.

1. L’Amplificatore Operazionale

1.1 Simbolo circuitale, caratteristiche ideali e schema equivalente

L’Amplificatore Operazionale (A.O.) è un amplificatore differenziale, accoppiato in continua che si
contraddistingue anzitutto per l’elevatissimo guadagno (teoricamente infinito).
Esso è utilizzato per svolgere un grande numero di funzioni, sia di amplificazione che di trattamento dei segnali. Attualmente è uno dei dispositivi allo stato solido più usato nell'elettronica: viene generalmente prodotto in chip che ne contengono più di uno.
Il simbolo grafico dell’AO è presentato in fig.1 :

Come si vede dalla fig. 1, l’A.O. possiede cinque terminali fondamentali:
- due ingressi (V1 e V2): riconoscibili dalla presenza del segno "+" e del segno"-"e vengono chiamati rispettivamente ingresso non-invertente e ingresso invertente. Più che il loro valore
assoluto, spesso serve conoscere la differenza tra queste due tensioni (detta tensione differenziale, indicata con Vd = V1-V2);
- una uscita (Vu): il valore assunto dall’uscita è data dall’espressione Vu = AOL •Vd, dove AOL è detto guadagno ad anello aperto dell’A.O.
- due terminali di alimentazione (+Vcc e –Vcc): generalmente negli schemi vengono omessi. L’importanza del loro valore è legata al seguente fatto: la tensione di uscita dell’A.O. potrà variare entro i limiti imposti dalla tensione di alimentazione.
Ciò significa semplicemente che la tensione di uscita, se positiva, non potrà mai andare al di sopra di +Vcc, mentre se negativa non potrà mai andare al di sotto di – Vcc.

1.2 L’A.O.: caratteristiche ideali

L'amplificatore operazionale, quando non è collegato ad alcun circuito di retroazione che ne controlli opportunamente il comportamento, si dice in configurazione “ad anello aperto” (OL,
open loop).
In questo caso, l’A.O. può essere considerato un dispositivo la cui uscita Vu può soltanto assumere i due valori estremi (detti di saturazione):
+Vcc (per Vd>0 ossia V1>V2) = saturazione positiva
–Vcc (per per Vd<0>V1) = saturazione negativa.

Se inserito in una opportuna rete di retroazione, il funzionamento dell’A.O. viene reso controllabile. Si dice allora che l’A.O.: funziona in anello chiuso: parte dell’uscita viene riportata in ingresso al fine di rendere stabile il comportamento dell’A.O..
In questo caso la sua uscita potrà assumere tutti i valori intermedi compresa tra – Vcc e +Vcc: il
valore esatto dell’uscita dipenderà essenzialmente da due fattori:
- dal tipo di rete in cui l’A.O. è inserito (e questo determina il tipo di amplificatore);
- dal valore del segnale di ingresso.
Sotto queste condizioni, nel suo modello ideale, l’A.O. presenta le seguenti caratteristiche:
1. la resistenza di ingresso Ri è molto elevata (R infinita): quindi i terminali di ingresso non assorbono alcuna corrente;
2. la resistenza di uscita Ro è nulla (Ro tende a zero): quindi l’A.O. non soffre effetti di carico;
3. il guadagno di tensione ad anello aperto AOL è infinito, ma essendo la tensione di uscita finita, è necessario che la tensione differenziale di ingresso sia nulla (Vd = 0);
4. il guadagno dell’amplificatore è indipendente dalla frequenza dei segnali in ingresso.
Le condizioni dei punti 1 e 2 fanno riferimento uno stato particolare dei terminali di ingresso dell’A.O., condizione per la quale essi non assorbono corrente e non ammettono alcuna tensione ai loro capi. In questo caso si dice che tra i terminali di ingresso è presente un corto circuito virtuale (così chiamato per contraddistinguerlo dal corto circuito degli "elettricisti", in quanto, nel caso dell’A.O., non c'è passaggio di corrente tra i terminali + e -). Graficamente è indicato con una linea tratteggiata.
Come avremo modo di approfondire nella sezione dedicata ai circuiti amplificatori basati sull’A.O., tali approssimazioni ideali semplificano notevolmente la risoluzione dei circuiti e il calcolo della funzione realizzata dalla rete amplificatrice.
Nella realtà, le condizioni ideali non sono facilmente ottenibili. Tuttavia gli A.O. attualmente in commercio non si discostano significativamente da tali caratteristiche: nella maggior parte delle applicazioni, l’adozione del modello ideale fornisce risultati con una precisione più che soddisfacente.

1.3. Schema equivalente di un A.O. ideale

Un A.O., quando considerato nella sua forma ideale, è schematizzabile come un generatore ideale di tensione controllato in tensione: la sua tensione di uscita Vu è costituita dalla tensione differenziale Vd amplificata del valore AOL.
Nella pratica, questa schematizzazione viene usata assai raramente in quanto, come vedremo, le
caratteristiche ideali dell’A.O. e le proprietà del corto circuito virtuale, consentono una notevole
semplificazione dei calcoli.