Amplificatori Operazionali in 5 minuti

Amplificatori Operazionali

Gli amplificatori operazionali sono dispositivi elettronici il cui nome deriva dal fatto che, inizialmente, questi componenti venivano usati per svolgere operazioni matematiche come addizioni, sottrazioni, moltiplicazioni, derivate e integrali.

Dal punto di vista funzionale, può essere definito come un amplificatore di tensione differenziale, ossia un dispositivo in grado di fornire, in uscita, una tensione proporzionale (amplificata o attenuata) alla differenza di tensione fornita ai due terminali di ingresso.

Il simbolo circuitale è:

Amplificatore Operazionale

​V+ è detto ingresso non invertente, V- ingresso invertente.

Questo perché, se applichiamo una tensione maggiore all’ingresso -,  la tensione di uscita, Vo, avrà il verso  contrario a  V-.

Viceversa, applicando una tensione maggiore all’ingresso +, Vo avrà lo stesso verso di V+.

Il legame tra ingresso uscita è:

Vo= Gd * (V+ – V-)

dove Gd è il guadagno di tensione, ovvero quanto il dispositivo amplifica la differenza tra le due tensioni applicate agli ingressi. Questo parametro ha sempre un valore elevato.

Amplificatore Operazionale Ideale

Per semplicità, analizziamo  l’amplificatore operazionale ideale, ossia con le seguenti caratteristiche:

  • guadagno differenziale di tensione Gd = infinito, ossia capacità di amplificare senza limiti la differenza tra i segnali in ingresso. Ma se Gd è infinito avremo, dalla formula Vo= Gd * (V+ – V-) che (V+  –  V) = 0, essendo un numero diviso infinito pari a zero. Di conseguenza V+  =  V–  , cioè i due morsetti sono equipotenziali, ∆V = 0  ( tale concetto è noto anche come “principio della massa, o corto circuito, virtuale, nel senso che, non circolando corrente tra i due morsetti, è il corto circuito è solo virtuale.
  • Resistenza d’ingresso infinita, cioè la resistenza tra i due morsetti di ingresso è infinita, quindi l’amplificatore operazionale non assorbe alcuna corrente dai dispositivi che si trovano a monte, come se fosse un circuito aperto. Se la resistenza di ingresso è infinita la I+ e Isaranno nulle.
  • Resistenza d’uscita nulla, cioè la resistenza tra i morsetti di ingresso e il morsetto di uscita è nulla. E’ come se la tensione in ingresso venga riportata, opportunamente amplificata, in uscita, senza nessuna perdita, senza nessuna caduta di tensione, essendo la resistenza in uscita nulla.
  • Banda passante a catena aperta infinita, cioè il segnale sarà sempre amplificato, a prescindere dalla sua frequenza. Nella realtà il range di frequenze amplificate, detto appunto banda passante, è molto ampio, ma non infinito:

Amplificatore Operazionale Reale

Al solito, la realtà è abbastanza diversa da quello che si vorrebbe.

Il guadagno sarà molto elevato ma non infinito. Inoltre, il valore della tensione in uscita potrà raggiungere al massimo “soltanto” il valore della tensione di alimentazione.

La zona in cui si ha effettivamente amplificazione viene detta zona attiva.

Quando la tensione in uscita raggiunge la tensione di alimentazione, anche detta Vsat tensione di saturazione, si entra nella zona detta, appunto, zona di saturazione.

La resistenza di ingresso avrà un valore molto elevato, ma non infinito.

La resistenza di uscita sarà molto bassa, ma non nulla.

La banda passante, che corrisponde all’intervallo di frequenze di lavoro entro il quale il guadagno, cioè la capacità di amplificare, non scende al di sotto del 70,7% del suo valore massimo, sarà molto elevata, ma non infinita.

Esistono in commercio degli operazionali aventi caratteristiche molto simili a quelle ideali, come ad esempio l’integrato 741, che presenta i seguenti parametri:

  • Guadagno= 2×105
  • resistenza di ingresso= 2MOhm
  • Resistenza di uscita= 75Ohm
  • larghezza di banda= 20 MHz .

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