Simulazione di amplificatori

In fase di sviluppo Stesura preliminare In fase di sviluppo

In questa pagina vedremo come utilizzare MPLAB Mindi per analizzare il comportamento di un amplificatore realizzato con un amplificatore operazionale.

Prove analoghe possono essere fatte anche utilizzando componenti fisici.

Breve introduzione

L'amplificatore operazionale (OpAmp o anche AO) è un elemento che permette di realizzare facilmente amplificatori. In  genere sono usati per amplificare piccoli segnali e per frequenze basse, ma esistono eccezioni, anche significative.

Di seguito alcuni aspetti che varranno in seguito analizzati e che dipendono dal componente utilizzato:

Alimentazione
Per poter funzionare un amplificatore operazionale deve essere alimentato da una tensione continua, in genere compresa tra qualche volt e qualche decina di volt, a seconda del modello usato (nota 1). La tensione di uscita e, a volte, quelle di ingresso non possono andare sotto la massa né sopra l'alimentazione positiva; a volte neppure avvicinarsi.  Amplificatori che possono andare molto vicini alle alimentazioni vengono detti rail-to-rail.
Correnti
Le correnti in ingresso sono generalmente trascurabili. La corrente in uscita può essere positiva o negativa (cioè uscire o... entrare dall'uscita); deve essere tipicamente inferiore ad una decina di millesimi di ampere.
Banda
Il guadagno di un amplificatore realizzato con un amplificatore operazionale è in genere costante dalla continua ad una frequenza non particolarmente elevata che dipende dall'amplificatore operazionale usato e dalla scelta dei componenti esterni, in particolare dal guadagno.

Amplificatore non invertente

Una delle configurazioni più utilizzate è il cosiddetto amplificatore non invertente. Lo schema è il seguente:

Il componente utilizzato (MCP6V91) è uno dei tanti amplificatori operazionali presenti sul mercato. Potrebbe essere utile consultare i fogli tecnici (da trovare con un motore di ricerca) anche se la maggior parte delle caratteristiche non sono di facile comprensione. Qui una guida alla lettura.

Il guadagno di tensione non dipende dal modello di amplificatore operazionale utilizzato, ma, in prima approssimazione, solo dal valore di R1 ed R2:

GV = 1 + R1 / R2

Di seguito ingresso ed uscita nel dominio del tempo.

Se i segnali sono sostanzialmente diversi da quanto mostrato occorre verificare che:

Aspetti da esaminare:

Amplificatore invertente

La particolarità dell'amplificatore invertente è quella di avere il guadagno con segno negativo, da cui il nome (nota 2).

Di seguito lo schema (nota 3):

Amplificatore invertente

Anche in questo caso il guadagno dipende, in prima approssimazione, solo dal valore di R1 ed R2:

GV = - R2 /  R1

Simulare un amplificatore invertente, seguendo gli stessi passi percorsi con l'amplificatore non invertente.

Amplificatore per strumentazione

Un amplificatore per strumentazione è usato quando occorre amplificare una piccola tensione ai capi di un componente non collegato a massa. Il guadagno viene impostato attraverso una o due resistenze e spesso alla tensione di uscita è possibile sommare una costante.

Analizziamo il seguente circuito attraverso la modalità transient. Il suo compito è quello di amplificare la tensione ai capi di R4.

Amplificatore per strumentazione

Un lavoro di sintesi

Spesso amplificatori operazionali e per strumentazione sono utilizzati per condizionare l'uscita di un trasduttore di una grandezza fisica. Un trasduttore produce in uscita una tensione (spesso piccola), una corrente o una resistenza proporzionale ad una grandezza fisica quale temperatura, luminosità o PH. Compito del circuito di condizionamento è adattare tale grandezza all'ingresso di un convertitore analogico digitale (ADC) che spesso accetta una tensione di ingresso compresa tra 0 V e 2 V, o qualcosa di simile.

Leggere la nota applicativa AN990 - Analog Sensor Conditioning Circuits - An Overview di Microchip che illustra una vasta gamma di esempi.

Note

  1. Alcuni modelli, soprattutto quelli più vecchi oppure quelli ad alte prestazioni, richiedono un'alimentazione duale, cioè due alimentazioni uguali in modulo, una positiva ed una negativa. Qui un approfondimento
  2. Il guadagno in dB ovviamente è in genere positivo. Perché?
  3. Nel simbolo semplificato dall'amplificatore operazionale sono omesse la alimentazioni che devono ovviamente essere presenti nel circuito simulato o reale
  4. Se si utilizza una rappresentazione della tensione di uscita nel dominio delle frequenza su grafico semilogaritmico è quasi sempre visibile una distorsione non lineare, anche quando piccola
  5. Ci si potrebbe chiedere se possiamo trascurare la corrente in ingresso in VIP e VIM. Sui fogli tecnici è in genere indicata con il termine Input bias current


Pagina creata nell'ottobre 2020. Ultima modifica: 4 novembre 2020


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