L’amplificatore operazionale (AO)

Trae la sua denominazione dal fatto che è stato largamente impiegato nella realizzazione di elaboratori analogici per effettuare somme, moltiplicazioni, integrazioni ecc., di segnali analogici.

L’evoluzione tecnologica ha consentito la produzione di AO integrati a basso costo e con ottime prestazioni, tanto che attualmente vengono utilizzati come elemento attivo base nella maggior parte dei circuiti analogici. Fra i principali campi di applicazione:

• acquisizione di segnali analogici (condizionamento, amplificazione, filtraggio);

• elaborazione di segnali (amplificazione, raddrizzamento, integrazione, somma, logaritmo)

• generazione di forme d’onda (oscillatori, generatori di onde triangolari)

• conversione A/D (sample and hold, convertitori a comparatori)

Fondamentalmente è un amplificatore a più stadi con accoppiamento in continua che idealmente presenta:

• amplificazione AOL (open loop gain) infinita (2x105)

• resistenza di ingresso Ri infinita (1012 )

• resistenza di uscita Ro =0 (0.110 )

• larghezza di banda BW infinita (20 MHz)

+V

-

+-V

v2

v1

vo

iOLOLo vAvvAV 21

+V

-

+-V

v2

v1

voRi Ro

AOLvi

vi

Funzionamento ad anello aperto

+V

-

+-V

V-

V+

vo

Vs

sOLOLo vAvvAV

-Vsat

+Vsat

Vo (V)

Vs (mV)

E’ sufficiente un piccolissimo segnale per far si che la tensione di uscita assuma valori elevati. Comunque la dinamica d’uscita è limitata e dipende dalle tensioni di alimentazione. L’escursione di Vo è limitata fra +Vsat e –Vsat (si discostano dalle tensioni di alimentazione di 1 o 2 V)

Retroazione (feedback) negativa

Occorre inserire l’AO in una rete di retroazione negativa per limitare il guadagno complessivo Av e far sì che la risposta del circuito sia lineare per escursioni relativamente ampie del segnale di ingresso.

Dalle caratteristiche degli AO derivano le seguenti considerazioni:1. Poiché la Ri è elevata, la corrente che entra negli ingressi dell’AO è

trascurabile2. Poiché AOL è elevato, qualsiasi valore di Vo in zona lineare (-Vsat<vo<+Vsat)

presuppone che Vi sia molto piccola

Pertanto in zona lineare:

• i+=i-=0

• Vi=0 (cortocircuito virtuale; se uno degli ingressi è collegato a massa, l’altro è

a massa virtuale)

Amplificatore invertente

Rfif

-

+

vs vo

R

viRL

iio

R

vi s

f

of R

vi

Poichè i=if :

R

R

v

vA f

s

ov

Av non dipende da AOL ma dal rapporto delle resistenze.Il segno negativo indica che la polarità di Vo è invertita rispetto alla Vs

Amplificatore non invertente

R

vi s

fo RR

Rvv

Poichè v- = vs :

R

R

R

RR

v

vA ff

s

ov

1

Rfif

-

+vs

vo

R

vi

RL

V-

io

Sommatore invertente

Rfif

-

+

v1

vo

R1

viRLio

v2

R2 R

vi 11

R

vi 22

21 iii f

2

2

1

1

R

v

R

vRiRv fffo

21 RRR f si ha )( 21 vvvo

Amplificatore differenziale

Rfif

-

+

v1 vo

R

viRLio

v2R

Rf

A volte è necessario disporre della differenza, eventualmente amplificata fra due segnali, ad esempio quando si vuole eliminare una componente comune ad entrambi

)( 21 vvR

Rv fo

Esercizio: verificare la relazione ingresso-uscita

Caratteristiche degli AO reali

Le prestazioni degli AO reali differiscono da quelle dei dispositivi ideali• Corrente di polarizzazione di ingresso: lo stadio di ingresso è un amplificatore differenziale a BJT o a FET, in entrambi i casi si ha un assorbimento di corrente dovuto alle correnti di base dei BJT polarizzati in zona attiva e alle correnti di perdita attraverso le giunzioni gate-canale polarizzate inversamente.• Corrente di offset: La non perfetta simmetria dello stadio differenziale di ingresso determina una differenza fra le correnti polarizzazione; si definisce corrente di offset la differenza tra le due.• Tensione di offset di ingresso: applicando all’ingresso un segnale nullo (v i=v+-v-=0) la tensione di uscita risulta diversa da zero (dovuto alle asimmetrie). Si può rappresentare con un generatore di tensione posto in serie ad uno dei terminali. Determina tensioni di offset in uscita.• Resistenza di ingresso: elevata ma non infinita• CMRR: se i due terminali di ingresso vengono collegati tra loro e si applica un segnale, l’uscita non sarà nulla. Il rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso prende il nome di guadagno di modo comune. La capacità di un AO di ignorare i segnali di modo comune (media dei segnali in ingresso) è specificata dal CMRR

cmA

ACMRR di solito espresso in dB

Integratore

Cic

-

+

vs vo

R

i

dtvRC

v so 1

Esercizio: verificare la relazione ingresso-uscita

)(1

)( svSRC

sv so

Inseguitore di tensione

Un inconveniente frequente è costituito dall’attenuazione che nasce fra due circuiti, l’uno con elevata resistenza d’uscita, l’altro (il carico) con ridotta resistenza di ingresso: occorre introdurre un circuito buffer che funzioni come adattatore di impedenza.

-

+

vo

vs

• guadagno unitario (vo=vs)• elevatissima resistenza di ingresso• bassissima resistenza di uscita

Amplificatore per strumentazione

E’ un amplificatore differenziale con le seguenti caratteristiche:• elevatissima impedenza di ingresso differenziale e di modo comune• bassissima impedenza di uscita• guadagno stabile ed accurato (noto con precisione e regolabile esternamente)• elevatissimo CMRR• bassissima tensione e corrente di offset• stabile in temperatura

Viene utilizzato per amplificare segnali molto deboli con elevate componenti di modo comune, ad esempio quelli che provengono da un trasduttore o la piccola differenza tra due tensioni quasi uguali nel ponte di Wheatstone.

High Speed FET-InputINSTRUMENTATION AMPLIFIER

1 20 1 2

0 0

22 1

V V RVo V R R V V

R R