Configurazioni degli Amplificatori operazionali

Amplificatore operazionale in configurazione invertente

Come si vede dallo schema elettrico , essendoci nel morsetto invertente una massa virtuale con tensione nulla, la tensione di uscita è uguale ed opposta alla tensione sulla R2, mentre la tensione di ingresso è uguale alla tensione sulla resistenza R1. Da ciò segue che:

Vu/Vi= - VR2/VR1= - I*R2/I*R1= - R2/R1 da cui semplificando la corrente I si ha:

Vu/Vi= - R2/R1

L'amplificatore operazionale invertente si differisce dall'amplificatore operazionale non invertente in quanto il segnale Vi entra dall'ingresso invertente; la sua tensione di uscita Vu risulta amplificata di un guadagno A ma viene inverita di 180 gradi  rispetto al segnale di ingresso.

In formula avremo:
 

A= - R2/R1

           A= Vu/Vi               

                      Vu= A * Vi = - (R2/R1)*Vi

Il segno meno nella formula significa che il segnale di uscita è invertito di 180° rispetto al segnale di ingresso.

Schema di collegamento dell'amplificatore operazionale invertente

In questo schema elettrico possiamo vedere come collegare tutti gli strumenti necessari per effettuare la prova di laboratorio. In particolare notiamo l'alimentazione duale che serve per alimentare il circuito.

Abbiamo bisogno di due alimentatori con 15 Volt collegati in serie in cui il morsetto positivo del primo alimentatore viene collegato con il pin 7 dell'A.O, corrispondente alla +Vcc mentre l'altro estremo negativo del secondo alimentatore viene collegato con il pin 4 dell'AO corrispondente alla -Vcc.

La parte centrale della serie dei due alimentatori corrisponderà così alla massa del circuito e di tutti gli strumenti.

Se colleghiamo correttamente gli strumenti, noteremo nell'oscilloscopio a doppia traccia al canale CH1 il segnale inviato nell'ingresso invertente e nel canale CH2 il segnale amplificato ed invertito proveniente dall'uscita 6 dell' A.O invertente. Misurando i due segnali di ingresso e di uscita noteremo che

Vu=- (R2/R1)*Vi

NOTA:

Se aumentiamo di molto la tensione di ingresso, dobbiamo stare attenti a non far superare l'ampiezza della tensione di uscita ad oltre +Vusat che è la tensione di saturazione corrispondente a circa la tensione di alimentazione meno 1 volt. Cioè

Vusat=+ (15-1)Volt=+ 14 Volt

Se la  tensione di uscita supera la tensione di saturazione il segnale di uscita sarà tagliato sulla cima del picco positivo e sulla cima del picco negativo, deformando così il segnale di uscita. 

Per non avere il segnale di uscita in saturazione si deve avere l'accortezza di inviare un segnale di ingresso Vimax<=Vusat/A

Esempio si supponiamo di avere una amplificazione A in modulo pari a 10, la tensione di ingresso massima che possiamo inmtrodurre nell'A.O è

Vimax=Vusat/A= 14 Volt/10= 1,4 volt

Questo circuito amplificatore è adatto per amplificare solo piccoli segnali.

Amplificatore operazionale in configurazione non invertente

Nella configurazione non invertente inviamo il segnale dal morsetto non invertente, e retroazioniamo l'amplificatore con le due resistenze R1 e R2 collegate come nelle figura precedente. In questo caso la tensione di uscita prelevata dal pin 6 fino alla massa farà circolare sulle due resistenze una corrente I.

Per la legge di Ohm sarà:

Vu= I* (R1+R2)               -->                     I=Vu/(R1+R2)

Per il principio di massa virtuale sul morsetto non invertente ( pin 2) si avrà una tensione V+ circa uguale a Vi.

Questa tensione farà circolare sulla resistenza R1 una corrente I pari a

I=V+/R1= Vi/R1              -->                    I= Vi/R1

ugualiando le due I così trovate avremo:

Vi/R1=Vu/(R1+R2)          -->                   Vu/Vi= (R1+R2)/R1

semplificando avremo la formula generale del guadagno A=Vu/VI di  un amplificatore non invertente

Vu/Vi= 1+ R2/R1

Quest'ultima formula ci dice che l'amplificatore operazionale non invertente amplifica, cioè ha un guadagno A ma non inverte il segnale di uscita rispetto al segnale di ingresso.

A= 1+R2/R1

Amplificatore operazionale differenziale

Anche in questo circuito abbiamo due tensioni di entrata V1 e V2.

Considerando il principio della sovrapposizione degli effetti, la tensione Vu puo’ essere considerata come somma di due tensioni:

Vu’ corrispondente all’ uscita quando si applica solo V2 e si cortocircuita a massa la V1

Vu’’ corrispondente all’ uscita quando si applica solo V1 e si cortocircuita a massa la V2

Vu = Vu’ + Vu

Calcoliamo la Vu’:

cortocircuitando a massa la V2 il piedino non invertente si trovera’ a massa dato che le resistenze ad esso collegate non saranno attraversate da corrente, il circuito diventera’ praticamente un amplificatore invertente e quindi:

Vu’ = - (R2 / R1)*V2

Calcoliamo la Vu’’ :

cortocircuitando a massa la V2 il circuito diventera’ un amplificatore non invertente alimentato nel piedino non invertente dal partitore di tensione composto dalle resistenza R1 ed R2 ad esso collegate.

Si avra’ allora:

 

Se facciamo in modo che R1 = R2 vediamo subito che la tensione di uscita sara’ la differenza fra le due tensioni di ingresso,

Vu = V1 - V2

da questo viene il nome differenziale per questo circuito.

Vediamo adesso la simulazione del circuito differenziale con il software Multisim.

Sommatore invertente

Il sommatore invertente esegue la somma dei due segnali di ingresso e li riporta in uscita.

Per il principio di sovrapposizione degli effetti, possiamo considerare lìuscita come la somma di due segnali

Vu1=-(R2/R1)*V1 con V2 posto a massa

Vu2=-(R2/R3)*V2 con V1 posto a massa

Vu=Vu1+Vu2= -((R2/R1)*V1 +(R2/R3)*V2)

se però consideriamo R2=R3 la formula precedente diventa

Vu=Vu1+Vu2= -(R2/R1)*(V1 +V2)

 

Vediamo adesso la simulazione con il software Multisim.

Inoltre se consideriamo tutte le resistenze uguali il rapporto di R2/R1 diventa uguale a 1 e quindi la tensione di uscita Vu diventa:

Vu=-(V1+V2)

Questo vuol dire che il nostro circuito è un circuito che somma i due segnali di ingresso ed inoltre le inverte, cioè è un sommatore invertente.