In elettronica, un amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale avente (solitamente) una sola uscita. Grazie anche alla sua versatilità, è uno dei dispositivi più vastamente utilizzati sia in ambito commerciale sia scientifico, in particolar modo nei circuiti analogici.
Questi circuiti si utilizzarono all'inizio per realizzare operazioni matematiche in calcolatori analogici ed erano realizzati con componenti discreti, valvole a vuoto, avevano una dimensione considerevole e il loro uso era limitato agli esperti in materia. Questi calcolatori potevano realizzare operazioni matematiche di una certa complessità, benché non somigliassero per niente ai calcolatori attuali.
Con la comparsa del transistor si realizzarono alcuni apparecchi di dimensione più ridotta, finchè arrivò la rivoluzione più importante con il circuito integrato mA702 di aspetto e caratterische principali molto simili agli amplificatori operazionali attuali.
Attualmente i circuiti integrati più utilizzati a livello hobbistico sono: LM741 e LM324 ma esistono circuiti integrati anche in versione SMD per l'utilizzo nel campo professionale.
Distribuzione dei terminali del circuito integrato 741
Per comprendere il funzionamento di un amplificatore operazionale bisogna descrivere prima quello di un amplificatore differenziale.
Simbolo elettrico:
La sua principale funzione è amplificare la differenza fra due segnali applicati ad ognuna delle sue entrate, applicando la seguente formula:
Vout = A(Va-Vb)
dove Va e Vb sono le tensioni in ognuna delle entrate e Vout è la tensione all'uscita dell'amplificatore.
Nel caso in cui il segnale applicato a entrambe le entrate sia esattamente uguale, l'uscita sarebbe nulla. Tuttavia, se sono segnali diversi, ma con qualche componente comune, questi ultimi saranno eliminati o attenuati.
La lettera A indica il guadagno o il fattore di amplificazione.
Il suo simbolo è un triangolo dal quale escono tre terminali come minimo.
L'amplificatore operazionale ideale ha guadagno infinito. In realtà non è così, ma è molto elevato, in tal modo, se alimentiamo l'amplificatore operazionale e applichiamo una tensione leggermente superiore all'altra, questa sarà quella che determina se l'uscita è positiva o negativa, avvicinandosi al massimo di alimentazione, positivo o negativa.
Se la tensione applicata all'entrata non invertitore è leggermente superiore a quella invertitore, quello che succede è che l'uscita è praticamente la tensione di alimentazione positiva.
Se l'entrata invertitore è di maggior livello, anche l'uscita si avvicina al limite di tensione della fonte di alimentazione, però in questo caso a quella negativa.
Questo sembra problematico, perché una piccola differenza di tensione può far si che la tensione di uscita passi da un livello molto alto a uno molto basso, o viceversa. Questo problema si risolve aggiungendo delle resistenze di controreazione al circuito, il che ci permette di controllare il guadagno dello stesso.
AMPLIFICATORE INVERTITORE
Il guadagno A è rappresentato da questa equazione:
A = - (Rb / Ra)
Questo circuito utilizza come entrata quella invertitore dell'amplificatore operazionale.
La resistenza di rialimentazione, rappresentata con Rb, è collegata fra l'uscita e l'entrata invertitore; il suo compito è rialimentare parte del segnale di uscita all'entrata. Benché supponiamo che il guadagno dell'amplificatore operazionale sia infinito, il circuito completo ha un guadagno perfettamente controllato dai valori delle resistenze Ra e Rb, essendo il valore di questo guadagno compreso fra la resistenza Rb e la Ra. Il segno (-) indica inversione di polarità, cioè il segnale applicato all'entrata è positivo, all'uscita ci sarà un segnale negativo ma amplificato o viceversa.
La resistenza Rc ha poca importanza nel funzionamento, di solito si utilizza un valore vicino al parallelo fra Ra e Rb.
AMPLIFICATORE NON INVERTITORE
Il guadagno A è rappresentato da questa equazione:
A = 1 + (Rc / Rb)
Questo circuito utilizza l'entrata non invertitore dell'amplificatore operazionale.
La resistenza di rialimentazione, rappresentata con Rc, è collegata fra l'uscita e l'entrata invertitore. La resistenza Rc e il suo guadagno si controlla perfettamente; in questo caso il guadagno si calcola dividendo il valore della resistenza Rc per quello della resistenza Rb e aggiungendo un'unità al risultato.
Questi circuiti si utilizzarono all'inizio per realizzare operazioni matematiche in calcolatori analogici ed erano realizzati con componenti discreti, valvole a vuoto, avevano una dimensione considerevole e il loro uso era limitato agli esperti in materia. Questi calcolatori potevano realizzare operazioni matematiche di una certa complessità, benché non somigliassero per niente ai calcolatori attuali.
Con la comparsa del transistor si realizzarono alcuni apparecchi di dimensione più ridotta, finchè arrivò la rivoluzione più importante con il circuito integrato mA702 di aspetto e caratterische principali molto simili agli amplificatori operazionali attuali.
Attualmente i circuiti integrati più utilizzati a livello hobbistico sono: LM741 e LM324 ma esistono circuiti integrati anche in versione SMD per l'utilizzo nel campo professionale.
Distribuzione dei terminali del circuito integrato 741
Per comprendere il funzionamento di un amplificatore operazionale bisogna descrivere prima quello di un amplificatore differenziale.
Simbolo elettrico:
La sua principale funzione è amplificare la differenza fra due segnali applicati ad ognuna delle sue entrate, applicando la seguente formula:
Vout = A(Va-Vb)
dove Va e Vb sono le tensioni in ognuna delle entrate e Vout è la tensione all'uscita dell'amplificatore.
Nel caso in cui il segnale applicato a entrambe le entrate sia esattamente uguale, l'uscita sarebbe nulla. Tuttavia, se sono segnali diversi, ma con qualche componente comune, questi ultimi saranno eliminati o attenuati.
La lettera A indica il guadagno o il fattore di amplificazione.
Il suo simbolo è un triangolo dal quale escono tre terminali come minimo.
L'amplificatore operazionale ideale ha guadagno infinito. In realtà non è così, ma è molto elevato, in tal modo, se alimentiamo l'amplificatore operazionale e applichiamo una tensione leggermente superiore all'altra, questa sarà quella che determina se l'uscita è positiva o negativa, avvicinandosi al massimo di alimentazione, positivo o negativa.
Se la tensione applicata all'entrata non invertitore è leggermente superiore a quella invertitore, quello che succede è che l'uscita è praticamente la tensione di alimentazione positiva.
Se l'entrata invertitore è di maggior livello, anche l'uscita si avvicina al limite di tensione della fonte di alimentazione, però in questo caso a quella negativa.
Questo sembra problematico, perché una piccola differenza di tensione può far si che la tensione di uscita passi da un livello molto alto a uno molto basso, o viceversa. Questo problema si risolve aggiungendo delle resistenze di controreazione al circuito, il che ci permette di controllare il guadagno dello stesso.
AMPLIFICATORE INVERTITORE
Il guadagno A è rappresentato da questa equazione:
A = - (Rb / Ra)
Questo circuito utilizza come entrata quella invertitore dell'amplificatore operazionale.
La resistenza di rialimentazione, rappresentata con Rb, è collegata fra l'uscita e l'entrata invertitore; il suo compito è rialimentare parte del segnale di uscita all'entrata. Benché supponiamo che il guadagno dell'amplificatore operazionale sia infinito, il circuito completo ha un guadagno perfettamente controllato dai valori delle resistenze Ra e Rb, essendo il valore di questo guadagno compreso fra la resistenza Rb e la Ra. Il segno (-) indica inversione di polarità, cioè il segnale applicato all'entrata è positivo, all'uscita ci sarà un segnale negativo ma amplificato o viceversa.
La resistenza Rc ha poca importanza nel funzionamento, di solito si utilizza un valore vicino al parallelo fra Ra e Rb.
AMPLIFICATORE NON INVERTITORE
Il guadagno A è rappresentato da questa equazione:
A = 1 + (Rc / Rb)
Questo circuito utilizza l'entrata non invertitore dell'amplificatore operazionale.
La resistenza di rialimentazione, rappresentata con Rc, è collegata fra l'uscita e l'entrata invertitore. La resistenza Rc e il suo guadagno si controlla perfettamente; in questo caso il guadagno si calcola dividendo il valore della resistenza Rc per quello della resistenza Rb e aggiungendo un'unità al risultato.
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