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.