Amplificatore invertente

La prima configurazione che analizziamo è quella invertente. Proietto la prima slide, e tramite animazioni, soffermandomi su ogni punto, arrivo alla seconda.

Possiamo notare che la configurazione è del tipo ad anello chiuso (si dice anello chiuso quando parte del segnale di uscita viene riportato in ingresso), si ha cioè una retroazione o reazione. Nel nostro caso la reazione è di tipo negativo, perché il segnale viene riportato sul morsetto invertente.
Nell’ipotesi che l’amplificatore operazionale abbia un comportamento ideale, il morsetto invertente (-) assume il potenziale del morsetto non invertente (+) che è posto a massa. Infatti, nel funzionamento lineare, se il guadagno intrinseco dell’amplificatore operazionale è infinitamente grande, a una tensione finita in uscita Vout deve corrispondere una tensione differenziale necessariamente nulla in ingresso, cioè VD=V+-V-=0.
Si dice usualmente che i due morsetti sono in corto circuito virtuale.

E bene sottolineare che i due morsetti, in caso di retroazione negativa, sono sempre allo stesso potenziale, V-=V+, e solamente nel caso in cui il morsetto non invertente sia a massa, si parla di massa virtuale.

Con queste ipotesi possiamo calcolare l'amplificazione:

Si può notare che l’amplificatore invertente, applicando un segnale in ingresso, lo amplifica di un fattore R2/R1, detto anche guadagno ad anello chiuso, invertendone la fase di 180°. Ne segue che il valore di Av, non dipende dall’amplificazione dell’operazionale (guadagno ad anello aperto), e quindi non varia né con la frequenza né con il tipo di A.O. utilizzato; esso è determinato esclusivamente dai valori di R1 e R2, che hanno un comportamento molto più stabile rispetto all’operazionale. A questo punto, prima di andare avanti con la teoria, sia appropriato "vedere" cosa succede praticamente. Per far ciò basta utilizzare un PC con un software di simulazione, ad esempio Multisim (la versione Demo è facilmente reperibile all'indirizzo www.electronicsworkbench.com/academic/edudemostu.html). Dunque proviamo a simulare un invertente, dove poniamo R1=1kΩ ed R2=10kΩ, con Vi=1V e Vcc=±15V per visualizzare cosa succede. Se abbiamo fatto bene otteniamo un risultato del tipo:

dove si evidenzia l'inversione di fase. E' importante fissare le idee su un'osservazione molto importante, magari mediante una slide, che aiuta a focalizzare il problema.




Riprendiamo l'esempio di prima al PC, è stavolta simuliamo con Vi=2V, per capire cosa si intende per saturazione. Otteniamo:

Tutto funziona normalmente finché la Vu rimane nel range consentito, ma non appena raggiunge, in modulo, il valore di Vcc, l’operazionale va in saturazione “tagliando” il segnale. Quando Vu torna minore di Vcc, il segnale di uscita riprende a seguire la forma del segnale di ingresso, naturalmente sfasato di 180°. Ne risulta dunque un segnale di uscita distorto.

Quando si progetta un amplificatore invertente bisogna prestare molta attenzione affinché l’operazionale non vada in saturazione. Bisogna sempre garantire la seguente condizione:

Se non si rispetta questa condizione si rischia che il segnale in uscita venga distorto.

La fase successiva è andare in laboratorio e realizzare fisicamente il circuito. Nonostante l'importanza della simulazione, realizzare il circuito con componenti reali, e sicuramente molto utile.

Per verificare se è tutto chiaro e vedere un campo di applicazione del circuito in questione, provare a svolgere il seguente esercizio:

Si progetti un circuito di condizionamento peril segnale di uscita di un NTC, con un range che va da -10mV a 0V, per inviarlo all'ingresso di un convertitore analogico con range 0÷8V.

Cos'è un amplificatore?

Io sono docente al triennio I.T.I.S. ad indirizzo elettronica e telecomunicazioni, dove insegno elettronica. In particolare il quarto anno è diviso in diversi macro argomenti:

1. Richiami sui fondamenti di teoria dei circuiti
   
2. Diodi
   
3. Il transistor bipolare a giunzione (BJT)
   
4. Amplificatori Operazionali
   
5. Il dominio della frequenza

Gli amplificatori operazionali (A. O.) a loro volta sono divisi in tre unita didattiche:

• Generalità sull’A. O.
  
• Applicazioni lineari degli A. O.
  
• Applicazioni non lineari degli A. O.

In questi post vorrei trattare gli Amplificatori Operazionali (A. O.), ed in particolare, data la vastità dell'argomento, le applicazioni lineari dell'A.O.

Cercherò di spiegare come farei la lezione in classe. Utilizzo sempre la strategia della lezione frontale coadiuvata da diversi strumenti multimediali. Vediamo quali.

Innanzitutto proietto delle slide realizzate in power point; ho il duplice vantaggio che attiro di più la loro attenzione e posso riprendere facilmente la prosecuzione logica quando vengo interrotto dalle loro domande o mi fermo io per "guidarli" verso qualche conclusione. Dopo qualche nozione preliminare, ritengo molto utile farli riflettere con domande mirate, indirizzarli con la scoperta guidata. Un altro mezzo che utilizzo molto è il PC, sia con dei software di simulazione (per vedere cosa succede con i circuiti in questione) sia con internet (per diversi scopi didattici). Alla fine fornisco degli esercizi da risolvere, ma senza darne la soluzione; ritengo che sia anche importante un'analisi degli errori. Se qualcuno, qui, volesse le soluzioni, può lasciarmi un post.

Prima di iniziare ritengo utile, per gli studenti, fare una piccola panoramica degli argomenti che verranno trattati, cercando di spiegare loro cosa dovranno sapere e soprattutto a cosa servono, cioè la loro applicazione pratica, in modo che non siano solo una serie di schemi alla lavagna. A tal scopo proietto la seguente tabella, dove si distinguono le conoscenze dalle abilità.

Legenda: Cn = conoscenza; Ab= abilità;T=teoria.

A questo punto proietto sempre una slide con i prerequisiti necessari, soffermandomi a richiamare le principali caratteristiche dell'operazionale. Qua preferisco che siano gli alunni a parlare, con la slide davanti chiedo loro di spiegare ogni singola caratteristica.

Inizio sempre soffermandomi sul concetto di amplificatore:

si definisce amplificatore un dispositivo capace di aumentare l’ampiezza o il livello di una grandezza fisica, variabile nel tempo, senza alterarne l’andamento temporale. Gli amplificatori elettronici sono costituiti da uno o più elementi circuitali attivi e da una sorgente esterna di energia.
Gli elementi attivi controllano la potenza erogata dalla sorgente di energia esterna quando vengono pilotati dal segnale di ingresso, che è ad un basso livello di potenza. In questo modo il segnale d'ingresso viene riprodotto all'uscita, ma ad un livello di potenza maggiore.
Si ribadisce il fatto che un amplificatore per funzionare ha sempre bisogno di una sorgente esterna di energia, che opportunamente controllata da luogo al segnale di uscita.
Si definisce guadagno G di un amplificatore il rapporto tra il valore del segnale di uscita e il valore di quello di ingresso.
L'amplificatore operazionale (A.O.) è un amplificatore in continua a più stadi che prende il nome dal fatto che in passato è stato usato per realizzare elaboratori analogici in grado di effettuare somme, differenze, integrazioni ed altre operazioni sui segnali analogici in ingresso. Inizialmente vennero realizzati a tubi elettronici, poi a transistor, e, infine con circuiti integrati.
È importante sottolineare che un operazionale non può essere utilizzato come amplificatore senza l’aggiunta di componenti esterni, a causa del guadagno idealmente infinito. Dunque è necessario ridurre il guadagno ad un valore finito mediante una rete esterna, cosi da poter "linearizzare" l’operazionale. Senza rete esterna l’O.A. può essere utilizzato, ma non in circuito lineari.
Di seguito saranno trattate solo le applicazioni lineari dell’operazionale, quindi tutte le configurazioni che saranno illustrate in seguito devono necessariamente essere retroazionate negativamente, al fine di garantire la stabilità e la linearità del sistema analizzato.