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.