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Quadripoli → Amplificatore operazionale
Un amplificatore operazionale ideale è un particolare tipo di
amplificatore differenziale che gode delle seguenti caratteristiche:
- Guadagno differenziale
di tensione infinito. Tale guadagno è relativo al solo amplificatore
operazionale, senza alcun collegamento ad altri componenti esterni (in
termini tecnici: ad anello aperto oppure Open-Loop Gain). Questo implica che la
tensione di ingresso ΔV deve essere nulla, altrimenti l'uscita assume
valori infiniti, positivi o negativi.
- Impedenza di ingresso infinita. Questo
implica che le
due correnti in ingresso devono essere nulle
- Impedenza di uscita
nulla. Questo significa che la tensione di uscita (e quindi il guadagno)
non dipende dalla corrente di uscita (e quindi da eventuali resistenze
collegate tra uscita e massa). Significa anche che la corrente di uscita
può assumere qualunque valore, con verso in uscita (source)
oppure in ingresso (sink)
- Banda infinita. Questo significa che le caratteristiche (guadagno,
correnti, tensioni...) non dipendono dalla frequenza del segnale di
ingresso
Normalmente è realizzato sotto forma di circuito integrato; a volte un
singolo integrato contiene due o quattro amplificatori operazionali
indipendenti.
Il simbolo dell'amplificatore operazionale è lo stesso utilizzato per il
comparatore analogico
(ed anche per l'amplificatore differenziale generico).
L'ingresso indicato nel simbolo con - è detto invertente (I); l'ingresso
indicato con + è detto non invertente (NI). Nel simbolo non sono in genere
indicate le alimentazioni (che devono essere evidentemente presenti nel
circuito reale!)
Spesso è indicato come OP.AMP. oppure AO.
Un amplificatore operazionale non può essere utilizzato direttamente in
quanto qualunque tensione applicata agli ingressi produce idealmente
un'uscita infinita, cosa evidentemente impossibile. Per questo ogni circuito
che utilizza questo componente prevede un meccanismo di retroazione
negativa che sottrae all'ingresso una parte dell'uscita, impedendo alla
tensione di uscita di raggiungere valori troppo elevati. Di seguito non
verrà illustrato questo concetto; basti sapere che nei circuiti che la
utilizzano è sempre presente un componente (in genere una resistenza o un
condensatore) tra l'uscita e l'ingresso invertente.
Alcune osservazioni:
- L'uscita è in grado di erogare una corrente, entrante oppure
uscente. Tale corrente deve evidentemente essere fornita dalle
alimentazioni, in genere non indicate nei circuiti ideali.
- Se l'amplificatore è ideale la corrente di uscita può assumere
qualunque valore (positivo o negativo), ma in uno reale esistono
evidentemente dei limiti
- La tensione in uscita di un amplificatore ideale può assumere
qualunque valore (positivo o negativo), ma in uno reale è sempre
compresa tra le tensioni di alimentazione
- Un amplificatore operazione ideale senza componenti esterni tra
uscita e ingresso invertente si comporta come un
comparatore analogico
(anche se nei circuiti reali ha pessime caratteristiche quando
utilizzato in questo modo). Per questo
motivo il simbolo è identico
Un amplificatore operazionale, insieme ad alcuni componenti esterni,
viene utilizzato secondo determinate configurazioni. Spesso
qualunque circuito è riconducibile ad una di queste configurazioni,
semplificando di molto l'analisi e la progettazione. Le principali
configurazioni sono:
Per studiare il funzionamento di tutte queste configurazioni è
sufficiente scrivere le equazioni di kirchhoff (alle maglie e ai nodi) e
applicare le quattro caratteristiche degli amplificatori operazionali
sopra enunciate.
Prima di procedere allo studio è bene eliminare quei componenti che, nel
caso ideale, sono
ininfluenti, al fine di rendere più semplice da esaminare il circuito :
- Le resistenze in cui non passa corrente possono essere sostituite
con un cortocircuito. L'esempio tipico è una resistenza collegata ad un
ingresso di un operazionale senza nodi intermedi.
- Le resistenze collegate direttamente tra uscita dell'operazionale e
massa possono essere sostituite con un circuito aperto in quando il loro
valore non modifica la tensione di uscita (perché?)
- Se sono presenti più generatori in ingresso, è possibile utilizzare
la sovrapposizione degli effetti
- Se un circuito coincide con una configurazione già nota è
sufficiente usare direttamente la formula dimostrata nelle pagine
corrispondenti
- Se il circuito è costituito da più blocchi in cascata (uscita di un
blocco collegata all'ingresso del blocco successivo) l'analisi può
essere svolta indipendentemente per ciascun blocco e il guadagno
complessivo è dato dal prodotto dei singoli guadagni a condizione che:
- l'impedenza di ingresso del blocco di destra sia infinita
- (oppure) l'impedenza di uscita del blocco di sinistra sia nulla
