Oltre a resistori e condensatori che sono componenti passivi, gli amplificatori operazionali sono uno degli elementi costitutivi fondamentali dei circuiti elettronici analogici. Amplificatori operativi sono dispositivi lineari che hanno tutte le proprietà richieste per un'amplificazione CC quasi ideale e sono quindi ampiamente utilizzati nel condizionamento o nel filtraggio del segnale o per eseguire operazioni matematiche come l'addizione, la sottrazione, l'integrazione e la differenziazione. Lo scopo di questo articolo è di presentare 10 circuiti di base ai nuovi arrivati nei progetti di elettronica e per rinfrescare le menti arrugginite degli ingegneri.
1. Inseguitore di tensione
Il circuito più semplice è il buffer di tensione, in quanto non richiede alcun componente esterno. Dato che l'uscita di tensione è uguale all'ingresso di tensione, gli studenti potrebbero essere perplessi al riguardo e chiedersi se questo tipo di circuito abbia qualche applicazione pratica.
Questo circuito consente la creazione di un ingresso ad alta impedenza e un'uscita a bassa impedenza. Ciò risulta utile per interfacciare i livelli logici tra due componenti o quando un alimentatore è basato su un partitore di tensione. La figura seguente si basa su un partitore di tensione e il circuito non può funzionare. In effetti, l'impedenza di carico può avere grandi variazioni, quindi la tensione Vout può cambiare drasticamente, soprattutto se l'impedenza di carico ha un valore della stessa ampiezza di R2.
Per risolvere questo problema, viene inserito un amplificatore tra il carico e il partitore di tensione (vedi figura sottostante). Pertanto, Vout dipende da R1 e R2 e non dal valore di carico.
L'obiettivo principale di un amplificatore operativo, come afferma il suo nome, è quello di amplificare un segnale. Ad esempio, l'uscita di un sensore deve essere amplificata per far sì che l'ADC misuri questo segnale.
2. Inversione dell'amplificatore operativo
In questa configurazione, l'uscita viene ricondotta all'ingresso negativo o invertente attraverso un resistore (R2). Il segnale di ingresso viene applicato a questo pin invertente attraverso un resistore (R1).
Il pin positivo è collegato a massa.
Questo è evidente nel caso particolare in cui R1 e R2 sono uguali. Questa configurazione consente la produzione di un segnale complementare all'ingresso, in quanto l'uscita è esattamente l'opposto del segnale di ingresso.
A causa del segno negativo, i segnali di uscita e di ingresso sono sfasati. Se entrambi i segnali devono essere in fase, viene utilizzato un amplificatore non invertente.
3. Amplificatore operativo non invertente
Questa configurazione è molto simile all'amplificatore operativo invertente. Per quello non invertente, la tensione in entrata è direttamente applicata al pin non invertente e la fine del circuito di feedback è collegata a massa.
Queste configurazioni consentono l'amplificazione di un segnale. È possibile amplificare diversi segnali utilizzando gli amplificatori sommatori.
4. Amplificatore sommatore non invertente
Per aggiungere 2 tensioni, è possibile aggiungere solo 2 resistori sul pin positivo al circuito dell'amplificatore operativo non invertente.
Occorre notare che l'aggiunta di più tensioni non è una soluzione molto flessibile. In effetti, se una 3a tensione viene aggiunta con esattamente le stesse resistenze, la formula sarebbe Vs = 2/3 (V1 + V2 + V3).
I resistori dovrebbero essere cambiati per ottenere Vs = V1 + V2 + V3, o una 2a opzione è utilizzare un amplificatore estivo invertente.
5. Amplificatore sommatore invertente
Aggiungendo resistori in parallelo sul pin di ingresso invertente del circuito dell'amplificatore operativo invertente, vengono sommate tutte le tensioni.
A differenza dell'amplificatore sommatore non invertente, è possibile aggiungere qualsiasi numero di tensioni senza modificare i valori del resistore.
6. Amplificatore differenziale
L'amplificatore operazionale invertente (vedere il numero di circuito 2) ha amplificato una tensione applicata sul pin invertente e la tensione d'uscita era fuori fase. Il pin non invertente è collegato a massa con questa configurazione.
Se il circuito di cui sopra viene modificato applicando una tensione attraverso un partitore di tensione sul non invertente, otteniamo un amplificatore differenziale come mostrato di seguito.
Un amplificatore è utile non solo perché consente di aggiungere, sottrarre o confrontare tensioni. Molti circuiti consentono di modificare i segnali. Vediamo quelli più basilari.
7. Integratore
Un'onda quadra è molto facile da generare, ad esempio, semplicemente attivando un GPIO di un microcontroller. Se un circuito ha bisogno di una forma d'onda triangolare, un buon modo per farlo è semplicemente integrare il segnale ad onda quadra. Con un amplificatore operativo, un condensatore sul percorso di feedback invertente e un resistore sul pin invertente di ingresso come mostrato di seguito, il segnale di ingresso è integrato.
Essere consapevoli del fatto che un resistore è spesso collegato in parallelo al condensatore per problemi di saturazione. Infatti, se il segnale di ingresso è un'onda sinusoidale a frequenza molto bassa, il condensatore agisce come un circuito aperto e blocca la tensione di feedback. L'amplificatore è quindi come un normale amplificatore a circuito aperto che ha un guadagno ad anello aperto molto alto e l'amplificatore è saturo. Grazie a un resistore in parallelo del condensatore, il circuito si comporta come un amplificatore invertente a bassa frequenza e la saturazione viene evitata.
8. Amplificatore del differenziatore
Il differenziatore funziona in modo simile all'integratore scambiando il condensatore e il resistore.
Tutte le configurazioni che sono state presentate fino ad ora.
9. Convertitore di corrente – tensione
Un fotorilevatore converte la luce in corrente. Per convertire la corrente in tensione, un semplice circuito con un amplificatore operativo, un anello di feedback attraverso un resistore sul non invertente e il diodo collegato tra i due pin di ingresso consente di ottenere una tensione d'uscita proporzionale alla corrente generata dal fotodiodo, che risulta evidente dalle caratteristiche di luce.
Il circuito di cui sopra applica la legge di Ohm con la formula fondamentale: la tensione è uguale alla resistenza moltiplicata per la corrente. La resistenza è in Ohm ed è sempre positiva. Ma grazie agli amplificatori operativi, è possibile progettare una resistenza negativa!
10. Resistenza negativa
Un feedback sul pin invertente forza la tensione d'uscita a essere il doppio della tensione in entrata. Poiché la tensione d'uscita è sempre superiore alla tensione in entrata, il feedback positivo attraverso il resistore R1 sul pin non invertente simula una resistenza negativa.
Infine, un circuito con amplificatore operativo non modifica necessariamente il segnale di ingresso, ma lo registra come l'amplificatore del rilevatore di picco.
Inoltre: amplificatore di operazione rilevatore di picco
Il condensatore viene usato come memoria. Quando la tensione in entrata sull'entrata non invertente è superiore alla tensione sull'entrata invertente che è anche la tensione attraverso il condensatore, l'amplificatore entra in saturazione e il diodo è in avanti e carica il condensatore. Supponendo che il condensatore non abbia una rapida autoscarica, quando la tensione in entrata Ve è inferiore alla tensione attraverso il condensatore, il diodo viene bloccato. Quindi, la tensione di picco viene registrata grazie al condensatore.
Molti altri circuiti sono disponibili con amplificatori operativi, ma la comprensione di questi fondamentali 10 circuiti consente di studiare facilmente circuiti più complessi.