Amplificatore Operazionale

L'amplificatore operazionale, è un componente elettronico, che rientra nella famiglia dei circuiti integrati, spesso viene abbreviato con AmpOp, o ancora A.O.
L'amplificatore operazionale ha 3 pin , 2 pin di ingresso e 1 di uscita, ma per poter funzionare necessita pure di 2 pin di alimentazione.
I 2 pin di ingresso vengono chiamati, ingresso invertente, contrassegnato dal segno meno -, o V- e ingresso non invertente contrassegnato dal segno + o V+
Vi è poi ovviamente il pin di uscita, Vu e i 2 pin di alimentazione positiva e negativa.

AmpOp.bmp

Come accade per molti i circuiti integrati, spesso i pin di alimentazione non vengono disegnati, quindi è facile trovare nei disegni degli schemi elettronici, solo il contenitore con i 2 pin di ingresso e il pin di uscita.

L'amplificatore operazionale, si trova sotto forma di circuito integrato, quindi è racchiuso all'interno del classico contenitore a 8 pin, dove possono trovare posto anche 2 amplificatori operazionali, nello stesso contenitore, mettendo in comune i 2 pin di alimentazione, e quindi avendo a disposizione i rimanerti 6 pin per 2 amplificatori.
Lo possiamo pure trovare anche in versione 16 pin, dove all'interno di un unico contenitore vengono inseriti fino a quattro amplificatori.

AmpOp_contenitore.png

L'amplificatore, come dice il nome stesso, è prima di tutto un circuito amplificatore, e la formula che lega l'uscita ai 2 ingressi è questa:

Vu= A x (V+ – V–)

dove ovviamente V+ e V– sono i 2 ingressi non invertente ed invertente, Vu la tensione di uscita, ed A sta ad indicare il coefficente di amplificazione.

Teoricamente, quindi in uscita si dovrebbe ottenere una tensione pari alla differenza delle 2 tensioni in ingresso, moltiplicato per il valore di amplificazione.
Tutto ciò però non accade, perché l'amplificatore operazionale, utilizzato così come è, presenta una amplificazione infinita, e in uscita non possiamo ritrovarci un valore di tensione infinita.
Tuttavia questa caratteristica di amplificazione infinita è molto interessante, perché ci permette di utilizzare l'amplificatore operazionale, non proprio come un amplificatore ma come un comparatore.

Poniamo ad esempio di applicare sul pin non invertente V+ una tensione di 6V, e sul pin invertente V– una tensione di 4V.
In uscita teoricamente dovremmo ritrovarci la differenza di tensione, quindi 6–4=2V moltiplicato per l'amplificazione.
Però abbiamo detto che il valore di amplificazione è infinito, e quindi 2V x infinito= + infinito.

Dato che in uscita al massimo possiamo ritrovarci la tensione di alimentazione, in questa situazione, l'uscita divine uguale alla tensione di alimentazione.

Proviamo adesso ad invertire, i 2 ingressi, e quindi poniamo l'ingresso non invertente V+ a 2V e l'ingresso invertente V– a 6V, in uscita dovremmo ritrovarci una tensione di 4–6= –2V x infinito = – infinito.
Dato però che in uscita la minima tensione, è 0V, in questa altra situazione, in uscita ci ritroviamo con 0V.
Il comparatore è molto utilizzato, ad esempio potremmo porre l'ingresso V- ad una tensione fissa, e l'altro ingresso V+ collegarlo ad una tensione variabile, magari proveniente da una sonda di temperatura.
Ecco che quando la tensione proveniente dalla sonda di temperatura, è inferiore alla tensione fissa, l'uscita è uguale a 0V, quando però la tensione proveniente dalla sonda, supera la tensione presente V+, succede che l'uscita da 0V passa a Vcc.
In questo esempio in pratica abbiamo utilizzato il comparatore, per creare un termostato, ma lo stesso principio può essere utilizzato per tutti i sistemi in cui c'è da comparare 2 tensioni.

comparatore.bmp

Allora un primo utilizzo, del amplificatore operazionale, è proprio l'utilizzo come comparatore, ovvero un circuito in grado di comparare 2 tensioni, e fornire in uscita una tensione pari a Vcc, quando V+ è maggiore di V–, e viceversa di fornire in uscita 0V quando V+ è minore di V–.

Adesso, se noi colleghiamo il pin di uscita con uno degli ingressi, creiamo una retroazione, questo fa si che l'amplificazione non sia più infinita, ma divenga uguale ad 1.
Con questa configurazione, ci ritroviamo un solo ingresso disponibile, perché sull'altro c'è la tensione di uscita, in questa configurazione abbiamo che la tensione di uscita è uguale a quella di ingresso.
Questa configurazione, è detta ad inseguitore di tensione, e serve principalmente come buffer, ovvero posso ad esempio collegare sull'uscita un carico di qualche centinaio di milliampere, e pilotarlo con pochi milliampere sull'ingresso.

inseguitore.bmp

Abbiamo detto che l'amplificatore operazionale, è comunque un amplificatore, e quindi ci si aspetta pure di poter amplificare un segnale, e magari poterne pure regolare il coefficente di amplificazione.
Infatti collegando 2 resistenze al nostro amplificatore operazionale, possiamo ottenere un vero amplificatore in cui possiamo variare a nostro piacimento l'amplificazione.

AmpOp_non_invert.bmp

Sopra vediamo lo schema di amplificatore non invertente, ovvero la tensione di uscita viene riportata tramite una resistenza R2, sull'ingresso invertente V-, e tale ingresso viene pure collegato a massa tramite la resistenza R1.

In questa configurazione, il circuito è in grado di amplificare il segnale presente sull'ingresso non invertente V+, e la formula per calcolare il valore di amplificazione è:

1+ R2/R1

Quindi se poniamo ad esempio R2=1K ed R1=100 Ohm, otteniamo che l'amplificazione è di 1+1000/100= 1+10 =11

Abbiamo ottenuto un amplificatore con guadagno uguale a 11, questo significa che il segnale in ingresso viene amplificato in tensione per 11 volte, ovvero se poniamo in ingresso 1,5V, otteniamo in uscita 1,5 x 11=16,5V.

Se poi al posto di R2, mettessimo un trimmer o potenziometro variabile, possiamo pure regolare l'amplificazione a nostro piacimento, semplicemente ruotando il nostro trimmer o potenziometro.

Ovviamente è bene ricordare che l'amplificatore operazionale non fa miracoli, e quindi la tensione in uscita non potrà mai essere superiore alla tensione di alimentazione.

Tuttavia tale circuito è molto utile, in tutti quei casi c'è da amplificare un segnale debole, pensiamo un sensore che ci restituisce in uscita un segnale di qualche millivolt, grazie all'amplificatore operazionale riusciamo a trasformarlo in un segnale di qualche volt, e variando il coefficiente di amplificazione possiamo pure adattarlo alle nostre esigenze.

Esempio abbiamo un sensore di temperatura che ci restituisce 5mV per ogni grado centigrado.
Colleghiamo il nostro sensore all'ingresso di un amplificatore operazionale, e utilizziamo per R1 ed R2 due valori in modo da ottenere un amplificazione di 200.
Possiamo ad esempio utilizzare per R1 un trimmer di 22k, e per R2 una resistenza da 100 Ohm.
In questo modo regolando il trimmer, possiamo regolare l'amplificazione precisamente a 200, andando così pure a compensare le eventuali tolleranze delle resistenze.

termometro.bmp

Così facendo, quando il nostro sensore di temperatura è posto ad una temperatura di 1 grado centigrado, e quindi restituisce 5mV, all'uscita del amplificatore operazionale possiamo leggere una tensione di 5 x 200=1000mV ovvero 1V.
Se poniamo il nostro sensore ad una temperatura di 20 gradi, questo restituisce 100mV e all'uscita del nostro amplificatore operazionale ci ritroviamo 100x200=20.000mV ovvero 20V.

In pratica grazie all'amplificatore operazionale, abbiamo amplificato e adattato la tensione in uscita da un sensore di temperatura, ad un valore in volt, in modo che 1V corrisponda ad 1 grado centigrado.
Adesso basta leggere il valore con un voltmetro, o anche un multimetro, e abbiamo ottenuto un termometro.

Una caratteristica dell'amplificatore operazionale, è quella che può essere alimentato con una tensione duale, ovvero invece di venire alimentato con un polo ad esempio a 12V e l'altro a 0V o gnd, viene alimentato con un polo a +12V e l'altro a -12V.
Questo caratteristica, permette di ottenere in uscita pure tensioni negative, e quindi lo rende adattato a trattare e amplificare pure una tensione alternata, come come abbiamo visto nell'articolo continua e alternata, è una tensione che oscilla tra un massimo positivo ed un massimo negativo.

A tal proposito esiste pure un altra configurazione detta amplificatore invertente.

AmpOp_invert.bmp

Questa configurazione, è molto simile all'altra, utilizza sempre le 2 resistenze collegate allo stesso modo, ma ciò che cambia è il segnale di ingresso, che questa volta vine inviato tramite R1 al pin V-, e quindi vine collegato a massa il pin V+.

In questa configurazione, il circuito è in grado di amplificare il segnale presente sull'ingresso invertente V-, e la formula per calcolare il valore di amplificazione è:

- R2/R1

Come si può vedere c'è un meno davanti alla formula, quindi vien da se il segnale in uscita vine invertito.

Ovvero se ad esempio utilizziamo 2 resistenze di uguale valore, esempio R1 ed R2 da 100 Ohm, otteniamo una amplificazione di -100/100=-1, e quindi se adesso inviamo in ingresso una tensione di +12V otteniamo in uscita una tensione di 12 x -1 =-12V.

In pratica abbiamo ottenuto un circuito invertente, in grado di invertire il segnale in uscita, e nel caso di un segale alternato, possiamo pure ribaltare tale segnale, si dice invertire la fase di 180 gradi, o sfasare il segnale di 180 gradi.


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