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L'alimentazione dell'amplificatore operazionale

L'amplificatore operazionale reale - Sommario - Novità - Tutorial - Progetti - Risorse - Non solo elettronica

Un amplificatore reale, per poter funzionare, deve essere alimentato. Tale alimentazione deve fornire l'energia necessaria ai componenti interni nonché la corrente che verrà erogata attraverso l'uscita.

Il vincolo principale nei circuiti reali deriva dal fatto che la tensione di uscita deve necessariamente essere compresa tra i potenziali forniti dall'alimentazione. Spesso anche gli ingressi devono rispettare tale vincolo, ma questo secondo aspetto dipende dalla struttura interna dell'operazionale.

Alimentazione duale

La tensione di alimentazione di un operazionale si dice duale (Dual Power Supply) o anche doppia se è fornita attraverso una coppia di alimentatori in continua, in genere uguali tra di loro. Di seguito lo schema di riferimento, in questo caso relativa ad un amplificatore invertente.

Alimentazione duale

Si noti che tutte le tensioni (di ingresso, di uscita, di alimentazione) sono riferite a massa, indicata in verde nello schema; per come è collegato PS2, la sua tensione viene indicata come negativa, cioè inferiore a massa, anche se si tratta di un "normale" generatore di tensione continua.

Si noti inoltre che non esiste alcuna relazione tra la tensione di ingresso e le due tensioni di alimentazione, se non la necessità di rispettare il vincolo sulla massima tensione di uscita.

Spesso, per semplicità, lo schema viene disegnato come nella seguente figura, dallo stesso significato. Spesso i due generator1 Vcc1 e Vcc2 sono sottointesi e neppure disegnati.

Alimentazione duale 

Il costruttore fornisce i valori minimi e massimi delle tensioni di alimentazioni, nell'esempio sotto riportato comprese in modulo tra 5V e 18V, prima e terza colonna numerica, in giallo; ± 15V è il valore consigliato (valore tipico, colonna centrale). Tali tensioni sono spesso indicate con il termine rail (letteralmente binario, sebbene questo termine non è usato in italiano).

La tensione di uscita può variare, ovviamente in funzione del guadagno e della tensione di ingresso, in un intervallo inferiore a quello definito dal rail (nell'esempio, in verde: ± 12V come valore tipico, se la tensione di alimentazione è di 15V). Questi valori possono essere considerati tipici per molti amplificatori. Sono pochi gli amplificatori funzionanti a tensioni superiori a 40V (± 20V); pochissimi i modelli che arrivano fino ad un massimo di 400V (± 200V), ma si tratta di componenti decisamente costosi.

 

Se la tensione di uscita può avvicinarsi a quella di alimentazione, fino quasi a raggiungerla, l'amplificatore viene definito rail-to-rail.

Se la tensione di alimentazione è inadeguata per garantire il corretto funzionamento, la tensione di uscita viene deformata: in pratica vengono "tagliati" i picchi massimi. In questo caso si parla di clipping, un caso particolare di distorsione armonica. In figura, un esempio di clipping: il segnale dovrebbe essere una sinusoide.

Clipping (http://en.wikipedia.org/wiki/Clipping_%28audio%29)

Alimentazione singola

Se la tensione di uscita (e, in genere, anche la tensione di ingresso) è sempre positiva, l'amplificatore operazionale reale può utilizzare una singola tensione di alimentazione, semplificando la realizzazione del circuito. Il termine spesso usato è Single Power Supply.

In molti casi questa soluzione non è realizzabile se non usando particolari accorgimenti circuitali. Esempi tipici per i quali NON è adatta una configurazione ad alimentazione singola sono gli amplificatori invertenti e quelli con ingressi sinusoidali.

In genere (non sempre) un amplificatore progettato per alimentazione singola è anche rail-to-rail e funziona anche a tensioni di alimentazione relativamente basse (Vcc>2).

Corrente di alimentazione e potenza

La corrente di alimentazione di un operazionale generico è dell'ordine del millesimo di ampere. Quelli a basso consumo possono scendere a valori molto più bassi; in questi casi è comune trovare in un solo modello, pensato per applicazioni a batteria, basso consumo, tensione di alimentazione bassa e singola, uscita rail-to-rail.

La potenza dissipata (e quindi il calore prodotto) in genere è abbastanza bassa. Fanno eccezione gli operazionali con tensioni di alimentazione elevate e quelli di potenza, cioè capaci di fornire elevate correnti in uscita.

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