I 10 circuiti fondamentali dell'operazionale

Amplificatori operazionali (op amp) sono dispositivi lineari che possiedono tutte le proprietà necessarie per un'amplificazione DC quasi ideale e sono quindi ampiamente utilizzati nel condizionamento del segnale o nel filtraggio o per eseguire operazioni matematiche come addizione, sottrazione, integrazione e differenziazione. Lo scopo di questo articolo è presentare 10 circuiti base per i nuovi arrivati nel design elettronico e rinfrescare le menti arrugginite degli ingegneri.

1. Follower di tensione

Il circuito più semplice è il buffer di tensione, poiché non richiede componenti esterni. Poiché la tensione di uscita è uguale alla tensione di ingresso, gli studenti potrebbero restare perplessi e chiedersi se questo tipo di circuito abbia applicazioni pratiche.

Questo circuito consente la creazione di un ingresso ad altissima impedenza e un'uscita a bassa impedenza. Questo è utile per interfacciare livelli logici tra due componenti o quando un alimentatore si basa su un partitore di tensione. La figura sotto è basata su un partitore di tensione e il circuito non può funzionare. Infatti, l'impedenza di carico può avere grandi variazioni, quindi la tensione V_out può cambiare drasticamente, soprattutto se l'impedenza di 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). Quindi, 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 l'ADC possa misurare questo segnale.

2. Amplificatore operazionale invertente

In questa configurazione, l'uscita è riportata all'ingresso negativo o invertente tramite un resistore (R2). Il segnale di ingresso viene applicato a questo pin invertente tramite un resistore (R1).

Il pin positivo è collegato a terra.

Questo è evidente nel caso speciale in cui R1 e R2 siano uguali. Questa configurazione consente la produzione di un segnale che è complementare 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 sfasati. Se entrambi i segnali devono essere in fase, si utilizza 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 è applicata direttamente al pin non invertente e l'estremità del loop di feedback è collegata a terra.

Queste configurazioni consentono l'amplificazione di un segnale. È possibile amplificare diversi segnali utilizzando amplificatori sommatori.

4. Amplificatore sommatore non invertente

Per sommare 2 tensioni, è possibile aggiungere solo 2 resistori sul pin positivo al circuito dell'amplificatore operazionale non invertente.

Vale la pena notare che aggiungere diverse tensioni non è una soluzione molto flessibile. Infatti, se si aggiunge una terza tensione con esattamente le stesse resistenze, la formula sarebbe V_s = 2/3 (V₁ + V₂ + V₃).

Le resistenze dovrebbero essere cambiate per ottenere V_s = V₁ + V₂ + V₃, oppure una seconda opzione è utilizzare un amplificatore sommatore invertente.

5. Amplificatore sommatore invertente

Aggiungendo resistori in parallelo sul pin di ingresso invertente del circuito amplificatore operazionale invertente, tutte le tensioni vengono sommate.

A differenza dell'amplificatore sommatore non invertente, è possibile sommare un qualsiasi numero di tensioni senza cambiare i valori dei resistori.

6. Amplificatore differenziale

L'amplificatore operazionale invertente (vedi circuito numero 2) ha amplificato una tensione che è stata applicata sul pin invertente, e la tensione di uscita era sfasata. Il pin non invertente è collegato a terra con questa configurazione.

Se il circuito 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 permette di aggiungere, sottrarre o confrontare tensioni. Molti circuiti consentono di modificare segnali. Vediamo i più basilari.

7. Integratore

Un'onda quadra è molto facile da generare, semplicemente commutando un GPIO di un microcontrollore per esempio. Se un circuito necessita di un'onda triangolare, un buon modo per farlo è semplicemente integrando il segnale dell'onda quadra. Con un amplificatore operazionale, un condensatore nel percorso di retroazione invertente e un resistore sul pin di ingresso invertente, come mostrato di seguito, il segnale di ingresso viene integrato.

Si noti 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 si comporta come un circuito aperto e blocca la tensione di retroazione. L'amplificatore si comporta quindi come un normale amplificatore a catena aperta che ha un guadagno a catena aperta molto alto, e l'amplificatore è saturo. Grazie a un resistore in parallelo al condensatore, il circuito si comporta come un amplificatore invertente a bassa frequenza, e si evita la saturazione.

8. Amplificatore operazionale differenziatore

Il differenziatore funziona in modo simile all'integratore scambiando il condensatore e il resistore.

Tutte le configurazioni presentate finora.

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 circuito di retroazione tramite un resistore sul non-invertente e il diodo collegato tra i due pin di ingresso permette di ottenere una tensione di uscita proporzionale alla corrente generata dal fotodiodo, che è 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 è 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 costringe la tensione di uscita a essere il doppio della tensione di ingresso. Poiché la tensione di uscita è sempre maggiore 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 modifica necessariamente il segnale di ingresso, ma lo registra come l'amplificatore rilevatore di picco.

Inoltre: Amplificatore operazionale rilevatore di picco

Il condensatore è usato come memoria. Quando la tensione di ingresso sul terminale non invertente è superiore alla tensione sul terminale invertente, che è anche la tensione attraverso il condensatore, l'amplificatore entra in saturazione e il diodo è in conduzione e carica il condensatore. Supponendo che il condensatore non abbia un'autoscarica rapida, quando la tensione di ingresso Ve è inferiore alla tensione attraverso il condensatore, il diodo è bloccato. Pertanto, la tensione di picco è registrata 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.