I 10 circuiti fondamentali di amplificatori operazionali
Oltre a resistori e condensatori, che sono componenti passivi, gli amplificatori operazionali sono uno dei blocchi fondamentali dei circuiti elettronici analogici.
Gli amplificatori operazionali (op amp) sono dispositivi lineari che possiedono tutte le proprietà necessarie per un'amplificazione quasi ideale in corrente continua (DC) e sono quindi ampiamente utilizzati per il condizionamento dei segnali, il filtraggio o per eseguire operazioni matematiche come somma, sottrazione, integrazione e derivazione. Lo scopo di questo articolo è presentare 10 circuiti di base per i principianti nel campo della progettazione elettronica e per rinfrescare la memoria agli ingegneri con esperienza.
1. Follower di tensione
Il circuito più semplice è il buffer di tensione, poiché non richiede alcun componente esterno. Dato che l'uscita di tensione è uguale all'ingresso di tensione, gli studenti potrebbero rimanere perplessi e chiedersi se questo tipo di circuito abbia qualche applicazione pratica.
Questo circuito permette la creazione di un ingresso con un'impedenza molto elevata e un'uscita con un'impedenza bassa. Questo è utile per interfacciare i livelli logici tra due componenti o quando un alimentatore si basa su un partitore di tensione. La figura sottostante si basa su un partitore di tensione e il circuito non può funzionare. Infatti, l'impedenza del carico può avere ampie variazioni, quindi la tensione Vout può cambiare drasticamente, soprattutto se l'impedenza del carico ha un valore della stessa grandezza di R2.
Per risolvere questo problema, viene inserito un amplificatore tra il carico e il partitore di tensione (vedi figura sotto). Pertanto, Vout dipende da R1 e R2 e non dal valore del carico.
L'obiettivo principale di un amplificatore operazionale, come indica il suo nome, è amplificare un segnale. Ad esempio, l'uscita di un sensore deve essere amplificata affinché il ADC possa misurare questo segnale.
2. Amplificatore operazionale invertente
In questa configurazione, l'uscita viene riportata al pin negativo o invertente attraverso una resistenza (R2). Il segnale di ingresso viene applicato a questo pin invertente tramite una resistenza (R1).
Il pin positivo è collegato a terra.
Questo è evidente nel caso speciale in cui R1 e R2 sono uguali. Questa configurazione consente la produzione di un segnale complementare rispetto all'ingresso, poiché l'uscita è esattamente l'opposto del segnale di ingresso.
A causa del segno negativo, i segnali di uscita e di ingresso sono fuori fase. Se entrambi i segnali devono essere in fase, viene utilizzato un amplificatore non invertente.
3. Amplificatore operazionale non invertente
Questa configurazione è molto simile all'amplificatore operazionale invertente. Per quello non invertente, la tensione di ingresso viene applicata direttamente al pin non invertente e l'estremità del circuito di feedback è collegata a terra.
Queste configurazioni permettono l'amplificazione di un segnale. È possibile amplificare più segnali utilizzando amplificatori sommatore.
4. Amplificatore sommatore non invertente
Per sommare 2 tensioni, è possibile aggiungere solo 2 resistori sul pin positivo al circuito amplificatore operazionale non invertente.
Vale la pena notare che aggiungere diverse tensioni non è una soluzione molto flessibile. Infatti, se si aggiungesse una terza tensione con esattamente le stesse resistenze, la formula sarebbe Vs = 2/3 (V1 + V2 + V3).
Le resistenze dovrebbero essere modificate per ottenere Vs = V1 + V2 + V3, oppure una seconda opzione è utilizzare un amplificatore sommatore invertente.
5. Amplificatore sommatore invertente
Aggiungendo resistori in parallelo al pin d'ingresso invertente del circuito dell'amplificatore operazionale invertente, tutte le tensioni vengono sommate.
A differenza dell'amplificatore sommatore non invertente, qualsiasi numero di tensioni può essere sommato senza modificare i valori delle resistenze.
6. Amplificatore differenziale
L'amplificatore operazionale invertente (vedi circuito numero 2) amplifica una tensione applicata al pin invertente, e la tensione di uscita è fuori fase. Il pin non invertente è collegato a terra in questa configurazione.
Se il circuito sopra viene modificato applicando una tensione attraverso un divisore di tensione sul terminale non invertente, otteniamo un amplificatore differenziale come mostrato di seguito.
Un amplificatore è utile non solo perché ti permette di aggiungere, sottrarre o confrontare tensioni. Molti circuiti consentono di modificare i segnali. Vediamo i più basilari.
7. Integratore
Un'onda quadra è molto facile da generare, ad esempio semplicemente alternando uno dei GPIO di un microcontrollore. Se un circuito necessita di un'onda triangolare, un buon modo per ottenerla è semplicemente integrando il segnale dell'onda quadra. Utilizzando un amplificatore operazionale, un condensatore sul percorso di retroazione invertente e una resistenza sul pin invertente di ingresso come mostrato di seguito, il segnale di ingresso viene integrato.
Tieni presente che un resistore è spesso collegato in parallelo al condensatore per questioni 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 retroazione. L'amplificatore funziona quindi come un normale amplificatore a circuito aperto con un guadagno molto alto a circuito aperto, e l'amplificatore si satura. Grazie a un resistore in parallelo al condensatore, il circuito si comporta come un amplificatore invertente a bassa frequenza, evitando così la saturazione.
8. Differenziatore con amplificatore operazionale
Il differenziatore funziona in modo simile all'integratore, scambiando il condensatore con la resistenza.
Tutte le configurazioni che sono state presentate fino ad ora.
9. Convertitore corrente - tensione
Un fotodetector converte la luce in corrente. Per convertire la corrente in tensione, un semplice circuito con un amplificatore operazionale, un loop di feedback attraverso un resistore sul terminale non invertente, e il diodo collegato tra i due pin di ingresso consente di ottenere una tensione di uscita proporzionale alla corrente generata dal fotodiodo, che risulta evidente dalle caratteristiche della luce.
Il circuito sopra applica la legge di Ohm con la formula fondamentale: la tensione è uguale alla resistenza moltiplicata per la corrente. La resistenza si misura in Ohm ed è sempre positiva. Ma grazie agli amplificatori operazionali, è possibile progettare una resistenza negativa!
10. Resistenza negativa
Un feedback sul pin invertente forza la tensione di uscita a essere il doppio della tensione di ingresso. Poiché la tensione di uscita è sempre più alta della tensione di ingresso, il feedback positivo attraverso il resistore R1 sul pin non invertente simula una resistenza negativa.
Infine, un circuito con amplificatore operazionale non necessariamente modifica il segnale di ingresso, ma lo registra come fa l'amplificatore rilevatore di picco.
Inoltre: Amplificatore operazionale per rilevatore di picco
Il condensatore viene utilizzato come memoria. Quando la tensione di ingresso sul terminale non invertente è superiore alla tensione sul terminale invertente, che corrisponde anche alla tensione ai capi del condensatore, l'amplificatore entra in saturazione e il diodo è polarizzato direttamente, caricando il condensatore. Supponendo che il condensatore non abbia una rapida autoscarica, quando la tensione di ingresso Ve è inferiore alla tensione ai capi del condensatore, il diodo è bloccato. Pertanto, la tensione di picco viene memorizzata grazie al condensatore.
Molti altri circuiti sono disponibili con amplificatori operazionali, ma comprendere questi 10 circuiti fondamentali ti permette di studiare facilmente circuiti più complessi.
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