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Amplificatore operazionale: cos’è, cosa fa e dove si usa

Gli amplificatori operazionali sono la quintessenza della magia elettronica, che modellando la tensione di ingresso e plasmano l’uscita per dare vita a una sinfonia di segnali. Ma cosa è un amplificatore operazionale? Questo articolo vi porterà in un viaggio attraverso il cuore di queste meraviglie elettroniche, scoprendo le principali differenze tra la configurazione invertente e noninvertente. Andremo alla scoperta della retroazione e delle applicazioni più comuni degli op-amp.

Il concetto di amplificatore: Definizione e fondamenti

Un amplificatore è un dispositivo elettronico fondamentale, che permette di incrementare la potenza di un segnale. I segnali di ingresso possono essere di tensione o corrente e, a seguito del processo di amplificazione, producono un segnale di uscita di maggiore ampiezza. Questo incremento è ciò che viene definito come guadagno.

Dal punto di vista tecnico, un amplificatore utilizza la potenza fornita da una fonte di alimentazione per aumentare l’ampiezza del segnale di ingresso. Questo processo viene realizzato mediante un transistor, che agisce come un interruttore controllato, modulando la corrente di uscita in base al segnale di ingresso.

Ma nel vasto panorama degli amplificatori, esiste una categoria particolare che ha segnato un punto di svolta nell’industria dell’elettronica: gli amplificatori operazionali, comunemente noti come op-amp.

Cos’è un amplificatore operazionale?

Amplificatore operazionale: Oltre l’amplificazione di base

L’amplificatore operazionale è una specifica tipologia di amplificatore che può essere rappresentato simbolicamente con un triangolo, al quale sono collegati tre morsetti: due ingressi, uno invertente e uno non invertente, e un’uscita.

L’amplificatore operazionale può essere visto come un amplificatore accoppiato in continua ad alto guadagno e con un ingresso differenziale, che amplifica la differenza di tensione tra i suoi due ingressi: uno definito “+”, o non invertente, e l’altro “-“, o invertente. È importante specificare che l’op-amp non amplifica i singoli segnali di ingresso, ma piuttosto la differenza tra di essi.

Uno dei principali vantaggi degli op-amp è la loro elevata impedenza di ingresso e la bassa impedenza di uscita. Questo lo rende un componente elettronico è estremamente versatile e dalle caratteristiche quasi ideali, che può funzionare in modi diversi a seconda della configurazione del circuito.

Nascita ed evoluzione degli amplificatori operazionali

IC op-amp uA 709
IC op-amp uA 709

L’amplificatore operazionale fece la sua prima comparsa negli anni ’40. Incarnati in imponenti tubi termoionici, erano però dei dispositivi costosi, ingombranti e dalle prestazioni modeste (offset superiori a 1V e consumi elevati). Il loro utilizzo era limitato principalmente a computer analogici e all’elaborazione di segnali in strumenti sofisticati.

Il salto evolutivo avvenne a metà degli anni ’60 con l’introduzione del primo amplificatore operazionale a circuito integrato, l’uA 709. Questo dispositivo integrava resistenze e transistor bipolari all’interno di un unico chip di silicio, rappresentando un vero e proprio game-changer. Nonostante il costo fosse ancora proibitivo, la miniaturizzazione degli op-amp ha segnato una svolta, spingendo gli ingegneri elettronici ad integrarli in un numero crescente di dispositivi.

Dagli anni ’60 ad oggi, i progressi tecnologici hanno consentito lo sviluppo di amplificatori operazionali sempre più performanti ed economici, favorendo la loro implementazione in un’ampia gamma di applicazioni. Esistono letteralmente migliaia di diversi modelli disponibili, ciascuno con caratteristiche diverse. Un esempio è l’LF411, introdotto originariamente dalla National Semiconductor, considerato un ottimo tuttofare.

Cosa fa un amplificatore operazionale?

Un amplificatore operazionale, come suggerisce il nome, amplifica la differenza di tensione tra i due ingressi. Oltre a ciò, è in grado di eseguire una serie di operazioni matematiche, come l’addizione, la sottrazione, l’integrazione, la derivazione e anche la moltiplicazione e la divisione, se configurato correttamente.

L’ingresso differenziale è uno dei pilastri dell’amplificatore operazionale. Questa caratteristica distintiva permette all’op-amp di processare due segnali di ingresso separati e di produrre un segnale di uscita che rispecchia la differenza tra i due. Questa proprietà è particolarmente utile in molte applicazioni elettroniche, come nel caso di sistemi di misurazione e monitoraggio, dove si desidera eliminare il rumore di fondo o altri segnali indesiderati.

Un op-amp ideale presenta le seguenti caratteristiche:

  1. Resistenza d’ingresso infinita (Rin = ∞);
  2. Resistenza d’uscita 0 (Rout = 0);
  3. Guadagno di tensione infinito (Avo = ∞);
  4. Perfetto bilanciamento (CMRR = ∞);
  5. Banda passante infinita; (B = ∞)

Negli amplificatori operazionali reali possono verificarsi dei problemi di stabilità, e ne abbiamo parlato in questo articolo.

Tensione di uscita e guadagno: Operazioni fondamentali dell’amplificatore operazionale

La tensione di uscita è la caratteristica finale più evidente di un amplificatore operazionale. Grazie al suo alto guadagno, l’op-amp è in grado di generare una tensione di uscita che può essere molte volte superiore a quella del segnale di ingresso. Questa caratteristica ne fa uno strumento indispensabile in un’ampia varietà di applicazioni, come i sistemi audio, dove si richiede un segnale di uscita molto forte, o i sistemi di misurazione, dove si desidera amplificare un segnale piccolo.

Resistenza di input e output: Caratteristiche fondamentali

La resistenza di input e di output di un amplificatore operazionale sono altri due parametri importanti. Una resistenza di ingresso elevata è desiderabile in molte applicazioni, in quanto minimizza la corrente che scorre all’ingresso dell’op-amp e quindi l’effetto di carico sul circuito di ingresso. Analogamente, una bassa resistenza di uscita è preferibile in molte applicazioni, in quanto permette all’op-amp di gestire carichi pesanti senza “perdere” troppa tensione attraverso la sua resistenza di uscita.

Come vedremo più avanti, in base alla configurazione dell’amplificatore operazionale, non solo cambia il modo di funzionamento, ma anche le caratteristiche di ingresso e uscita.

Metodo del corto circuito virtuale negli op-amp

In condizioni di funzionamento lineare, l’alto guadagno e la tensione di uscita limitata a quella di alimentazione degli amplificatori operazionali, fanno sì che la tensione presente tra gli ingressi sia talmente piccola da poter essere considerata praticamente nulla.

Se la tensione di ingresso può essere considerata nulla, allora tra i due ingressi sussiste una sorta di corto circuito. Ed essendo la tensione ai capi di Rin praticamente nulla, allora anche la corrente che la attraversa deve essere nulla.

Il fatto che la corrente che fluisce negli ingressi dell’op-amp sia trascurabile, è una conseguenza diretta dell’ipotesi di corto circuito virtuale.

Il metodo del corto circuito virtuale è un mezzo estremamente efficace per l’analisi di circuiti lineari con amplificatori operazionali. Questo strumento, permette di calcolare rapidamente la funzione di trasferimento. Tuttavia, è importante ricordare che questo metodo è valido solo quando il modulo del guadagno di anello supera significativamente l’unità.

Questa condizione può non essere sempre soddisfatta, soprattutto ad alte frequenze, a causa della diminuzione del guadagno dell’amplificatore operazionale. Lo stesso vale anche per certe strutture della rete di retroazione, a frequenze molto basse o su una specifica banda di frequenza.

Il metodo del corto circuito virtuale non può essere applicato quando gli amplificatori operazionali funzionano in condizioni di non linearità. Ad esempio, quando l’uscita raggiunge il valore di saturazione (solitamente pari al modulo della tensione di alimentazione meno circa 1 V), la differenza di potenziale tra gli ingressi può assumere un valore qualsiasi (e non trascurabile), purché la polarità sia coerente con quella della tensione di uscita.

Offset di tensione: Quando e perché è importante negli amplificatori operazionali

Un’altra caratteristica interessante dell’op-amp è la possibilità di aggiungere un offset.
L’offset di tensione è un piccolo segnale di ingresso che può essere introdotto intenzionalmente nell’op-ampper vari motivi, ad esempio per compensare eventuali errori introdotti da altri elementi del circuito, o per adattare l’op-amp a specifiche esigenze di funzionamento.

Inoltre, l’offset di tensione può essere utilizzato per prevenire la saturazione dell’op-amp, un fenomeno che si verifica quando l’op-amp non è più in grado di aumentare la sua tensione di uscita nonostante un ulteriore aumento del segnale di ingresso.

Amplificatore operazionale invertente e non invertente

Gli amplificatori operazionali non vengono quasi mai utilizzati come componenti singoli, ma interfacciati con dei componenti passivi per ottenere un circuito di feedback. In base alla configurazione del circuito, è possibile fare una distinzione tra due modalità di funzionamento: configurazione invertente e configurazione non invertente.

Definizione e caratteristiche dell’Op-amp invertente

Un amplificatore operazionale invertente è un tipo di circuito op-amp dove il segnale di ingresso viene applicato all’ingresso invertente (“-“) dell’op-amp, e la retroazione viene utilizzata sull’ingresso non invertente (“+”).

In questa configurazione, il segnale di uscita è in fase opposta al segnale di ingresso, da cui il nome “invertente”.

Dato che per il metodo del corto circuito virtuale non fluisce corrente negli ingressi dell’amplificatore operazionale, ne consegue che IR2 = IR1 e di conseguenza la tensione di uscita sarà:

Formula calcolo tensione di uscita OP amp invertente

Quindi il guadagno di un amplificatore invertente è determinato dal rapporto tra le resistenze utilizzate nel percorso di retroazione:

Formula calcolo guadagno amplificatore operazionale invertente

Consideriamo che ci trovandoci di fronte a una reazione di tensione con inserzione in parallelo, la resistenza di uscita sarà molto bassa.

Per quanto riguarda la resistenza di ingresso, è necessario fare una breve riflessione. L’inserzione in parallelo si verifica ai terminali dell’amplificatore operazionale, che non coincide con l’ingresso dell’amplificatore. Pertanto, la resistenza di ingresso vista sull’ingresso dell’operazionale sarà molto bassa, quasi nulla.

Tuttavia, quella vista dal generatore Vs sarà essenzialmente uguale alla resistenza R1, che si trova in serie al corto circuito virtuale. Un’altra prospettiva che porta alla stessa conclusione è considerare che la tensione tra l’ingresso invertente e la massa è nulla a causa del corto circuito virtuale. Di conseguenza, il generatore Vs vede semplicemente una resistenza pari a R1 collegata a massa.

In questa configurazione invertente, avere l’uscita sul terzo terminale è molto conveniente, dato che idealmente il livello di impedenza è uguale a zero. Quindi la tensione di uscita v0 non dipenderà dal valore della corrente dall’impedenza del carico collegato tra il terminale 3 e la massa.

Definizione e caratteristiche dell’amplificatore operazionale non invertente

Un amplificatore operazionale non invertente è un circuito op-amp in cui il segnale di ingresso viene applicato direttamente all’ingresso non invertente dell’op-amp. In questa configurazione, il segnale di uscita è in fase con il segnale di ingresso, con un guadagno positivo determinato dal rapporto tra le resistenze nel percorso di retroazione, più uno.

Infatti, analizzando questa configurazione con il metodo del corto circuito virtuale, si può notare come la tensione V− sull’ingresso invertente sia uguale alla tensione presente sull’altro ingresso, che a sua volta è pari a Vs.

Di conseguenza, possiamo calcolare la corrente che scorre su R1 come:

Formula calcolo corrente che scorre su resistenza di ingresso op-amp non invertente

Ed assumendo che IR1=IR2, possiamo ricavare la tensione di uscita:

Formula calcolo tensione di uscita amplificatore operazionale non invertente

L’amplificatore non invertente avrà un guadagno pari a:

Formula calcolo guadagno amplificatore operazionale non invertente

L’impedenza di ingresso è idealmente infinita, dato che non scorre alcuna corrente nel terminale positivo di ingresso. Questa caratteristica, rende gli amplificatori operazionali in configurazione non invertente, ideali da utilizzare come amplificatori di buffer per collegare una fonte con un’alta impedenza ad un’altra con carico bassa impedenza. Ad esempio, in molte applicazioni l’amplificatore buffer non viene utilizzato per ottenere un guadagno di tensione, ma utilizzato come un trasformatore di impedenza o amplificatore di potenza.

Confronto tra amplificatore operazionale invertente e non invertente: Quando usare uno o l’altro?

Sia gli amplificatori invertenti che non invertenti hanno le loro specifiche applicazioni e utilità. Un amplificatore invertente è spesso usato quando è necessario un cambiamento di fase di 180 gradi tra ingresso e uscita. Questi sono utilizzati in una varietà di applicazioni, come sommatori, sottrattori e convertitori I/V.

D’altra parte, gli amplificatori non invertenti sono utilizzati quando non è desiderato alcun cambiamento di fase tra ingresso e uscita. Trovano utilizzo in applicazioni come follower di tensione, circuiti di guadagno controllato, e applicazioni dove è necessario un alto valore di impedenza di ingresso.

La scelta tra un amplificatore invertente e non invertente dipenderà, quindi, dai requisiti specifici del sistema o dell’applicazione.

Dove si usano gli amplificatori operazionali?

Gli amplificatori operazionali sono la spina dorsale di molti dispositivi elettronici. Ad esempio, in ambito industriale, gli op-amp sono utilizzati in strumenti di misura e di controllo, come gli oscilloscopi o i regolatori di velocità dei motori. Invece nel campo della ricerca scientifica sono spesso impiegati in strumenti di alta precisione, come i lock-in amplifier o gli amplificatori di transimpedenza usati nella spettroscopia.

Vediamo di seguito alcune delle principali applicazioni di questi componenti versatili.

Amplificatori audio e di segnale

Forse l’uso più intuitivo di un amplificatore operazionale è come amplificatore di segnale. Che si tratti di amplificare un segnale audio in un impianto stereo o di aumentare la potenza di un segnale elettronico in un circuito, gli amplificatori operazionali sono spesso la scelta ideale grazie al loro alto guadagno e alla loro capacità di eliminare il rumore.

Sistemi di controllo e regolazione

Gli op-amp sono alla base di molti sistemi di controllo automatico, dal controllo della temperatura in un forno elettrico alla regolazione della velocità in un drone. Grazie alla loro capacità di confrontare due segnali e fornire un segnale di uscita proporzionale alla differenza, gli op-amp sono perfetti per mantenere una variabile fisica (come la temperatura, la velocità o la tensione) a un valore desiderato.

Strumentazione e misurazioni

Molti strumenti di misurazione elettronica, come oscilloscopi, multimetri e analizzatori di spettro, utilizzano amplificatori operazionali per elaborare i segnali di ingresso. Grazie alla loro capacità di amplificare segnali molto piccoli e di eliminare il rumore, gli op-amp sono fondamentali per garantire la precisione e la sensibilità di questi strumenti.

Filtro di segnali

Gli op-amp sono spesso utilizzati nella progettazione di filtri attivi. Questi filtri possono eliminare o attenuare determinate frequenze da un segnale, permettendo ad esempio di eliminare il rumore o di isolare un segnale di interesse. I filtri attivi, grazie alla presenza di un amplificatore operazionale, offrono prestazioni superiori rispetto ai loro corrispettivi passivi, specialmente in termini di guadagno e impedenza di ingresso.

Convertitori ADC e DAC

Gli amplificatori operazionali sono utilizzati nei convertitori analogico-digitale (ADC) e digitale-analogico (DAC). Negli ADC, gli op-amp possono essere utilizzati per amplificare il segnale di ingresso prima della conversione, mentre nei DAC, possono essere utilizzati per convertire la corrente di uscita del DAC in una tensione.

Conclusione: L’Ingegneria della Versatilità

Gli amplificatori operazionali hanno percorso un lungo cammino sin dalla loro nascita negli anni ’40, evolvendo dai primitivi tubi termoionici ai moderni circuiti integrati. Questi piccoli, ma potenti dispositivi, sono divenuti uno strumento fondamentale nelle mani degli ingegneri elettronici, consentendo un’ampia varietà di applicazioni nelle più diverse aree dell’elettronica.

Che si tratti di stabilire la tensione di offset in un circuito o di implementare una complicata rete di retroazione, la versatilità degli amplificatori operazionali li rende quasi indispensabili. La loro capacità di operare sia in modo invertente che non invertente, accoppiata con la possibilità di manipolare segnali differenziali, rende gli op-amp strumenti estremamente flessibili.

In conclusione, gli amplificatori operazionali rappresentano una delle innovazioni più significative nel campo dell’elettronica. Sono la prova di come la miniaturizzazione e l’innovazione tecnologica possano rivoluzionare un settore, spingendo i confini di ciò che è possibile. Osservando il passato e immaginando il futuro, possiamo solo aspettare con impazienza le prossime evoluzioni che gli amplificatori operazionali porteranno nel panorama dell’elettronica.

Ivan Scordato
progettista elettrico e appassionato di nuove tecnologie. Scrive articoli di approfondimento tecnico e conosce anche tecniche SEO per la scrittura su web.