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Op-Amp, abbreviazione di amplificatore operazionale, è la spina dorsale dell'elettronica analogica. Un amplificatore operazionale è un componente elettronico accoppiato in CC che amplifica la tensione da un ingresso differenziale utilizzando il feedback del resistore. Gli amplificatori operazionali sono famosi per la loro versatilità in quanto possono essere configurati in molti modi e possono essere utilizzati in diversi aspetti. Un circuito amplificatore operazionale è costituito da poche variabili come larghezza di banda, impedenza di ingresso e uscita, margine di guadagno, ecc. Diverse classi di amplificatori operazionali hanno specifiche diverse a seconda di tali variabili. Ci sono molti amplificatori operazionali disponibili in diversi pacchetti di circuiti integrati (IC), alcuni amplificatori operazionali hanno due o più amplificatori operazionali in un unico pacchetto. LM358, LM741, LM386 sono alcuni circuiti integrati operazionali comunemente usati. Puoi saperne di più sugli amplificatori operazionali seguendo la nostra sezione circuiti amplificatori operazionali.

Un amplificatore operazionale ha due pin di ingresso differenziali e un pin di uscita insieme ai pin di alimentazione. Questi due pin di ingresso differenziale sono pin invertente o negativo e pin non invertente o positivo. Un amplificatore operazionale amplifica la differenza di tensione tra questi due pin di ingresso e fornisce l'uscita amplificata attraverso il suo Vout o pin di uscita.

A seconda del tipo di ingresso, l'amplificatore operazionale può essere classificato come invertente o non invertente. In questo tutorial, impareremo come utilizzare l'amplificatore operazionale nella configurazione non invertente.

Nella configurazione non invertente, il segnale di ingresso viene applicato attraverso il terminale di ingresso non invertente (terminale positivo) dell'amplificatore operazionale. A causa di ciò, l'uscita amplificata diventa " in fase " con il segnale di ingresso.

Come abbiamo discusso in precedenza, l' amplificatore operazionale necessita di feedback per amplificare il segnale in ingresso. Ciò si ottiene generalmente applicando una piccola parte della tensione di uscita al pin invertente (In caso di configurazione non invertente) o nel pin non invertente (In caso di pin invertente), utilizzando una rete di partitori di tensione.

Configurazione amplificatore operazionale non invertente

Nell'immagine in alto, viene mostrato un amplificatore operazionale con configurazione non invertente. Il segnale che è necessario amplificare utilizzando l'amplificatore operazionale viene alimentato nel pin positivo o non invertente del circuito dell'amplificatore operazionale, mentre un partitore di tensione che utilizza due resistori R1 e R2 fornisce la piccola parte dell'uscita all'inversione pin del circuito dell'amplificatore operazionale. Questi due resistori forniscono il feedback richiesto all'amplificatore operazionale. In una condizione ideale, il pin di ingresso dell'amplificatore operazionale fornirà un'impedenza di ingresso elevata e il pin di uscita sarà a bassa impedenza di uscita.

L'amplificazione dipende da quei due resistori di retroazione (R1 e R2) collegati come configurazione del partitore di tensione. R2 è indicato come Rf (resistore di feedback)

L'uscita del divisore di tensione che viene alimentata nel pin non invertente dell'amplificatore è uguale a Vin, poiché Vin e i punti di giunzione del partitore di tensione sono situati sullo stesso nodo di massa.

Per questo motivo, e poiché Vout dipende dalla rete di feedback, possiamo calcolare il guadagno di tensione ad anello chiuso come di seguito.

Guadagno dell'amplificatore operazionale non invertente

Poiché la tensione di uscita del divisore di tensione è uguale alla tensione di ingresso , divisore Vout = Vin

Quindi, Vin / Vout = R1 / (R1 + Rf) Oppure, Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1

Il guadagno di tensione totale dell'amplificatore (Av) è Vout / Vin

Quindi, Av = Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1

Usando questa formula possiamo concludere che il guadagno di tensione ad anello chiuso di un amplificatore operazionale non invertente è,

Av = Vout / Vin = 1 + (Rf / R1)

Quindi, con questo fattore, il guadagno dell'amplificatore operazionale non può essere inferiore al guadagno unitario o 1. Inoltre, il guadagno sarà positivo e non potrà essere in forma negativa. Il guadagno dipende direttamente dal rapporto tra Rf e R1.

Ora, la cosa interessante è che se mettiamo il valore del resistore di feedback o Rf come 0, il guadagno sarà 1 o unità. E se R1 diventa 0, il guadagno sarà infinito. Ma è possibile solo teoricamente. In realtà, dipende ampiamente dal comportamento dell'amplificatore operazionale e dal guadagno ad anello aperto.

L'amplificatore operazionale può anche essere utilizzato per aggiungere una tensione di ingresso di tensione come amplificatore sommatore.

Esempio pratico di amplificatore non invertente

Vi progettare un circuito op-amp non invertente che produrrà 3x guadagno di tensione in uscita confrontare la tensione di ingresso.

Faremo un ingresso da 2V nell'amplificatore operazionale. Configureremo l'amplificatore operazionale in una configurazione non invertente con capacità di guadagno 3x. Abbiamo selezionato il valore del resistore R1 come 1.2k, troveremo il valore del resistore Rf o R2 e calcoleremo la tensione di uscita dopo l'amplificazione.

Poiché il guadagno dipende dalle resistenze e la formula è Av = 1 + (Rf / R1)

Nel nostro caso, il guadagno è 3 e il valore di R1 è 1. 2k. Quindi, il valore di Rf è, 3 = 1 + (Rf / 1.2k) 3 = 1 + (1.2k + Rf / 1.2k) 3.6k = 1.2k + Rf 3.6k - 1.2k = Rf Rf = 2.4k

Dopo l'amplificazione, la tensione di uscita sarà

Av = Vout / Vin 3 = Vout / 2V Vout = 6V

Il circuito di esempio è mostrato nell'immagine sopra. R2 è il resistore di feedback e l'uscita amplificata sarà 3 volte rispetto all'ingresso.

Inseguitore di tensione o amplificatore di guadagno unitario

Come discusso prima, se rendiamo Rf o R2 come 0, significa che non c'è resistenza in R2 e il resistore R1 è uguale all'infinito, il guadagno dell'amplificatore sarà 1 o raggiungerà il guadagno unitario. Poiché non c'è resistenza in R2, l'uscita è in cortocircuito con l' ingresso negativo o invertito dell'amplificatore operazionale. Poiché il guadagno è 1 o unità, questa configurazione è chiamata configurazione dell'amplificatore del guadagno unitario o seguitore di tensione o buffer.

Quando mettiamo il segnale di ingresso sull'ingresso positivo dell'amplificatore operazionale e il segnale di uscita è in fase con il segnale di ingresso con un guadagno 1x, otteniamo lo stesso segnale sull'uscita dell'amplificatore. Pertanto la tensione di uscita è la stessa della tensione di ingresso. Uscita tensione = Ingresso tensione.

Quindi, seguirà la tensione di ingresso e produrrà lo stesso segnale di replica attraverso la sua uscita. Questo è il motivo per cui è chiamato circuito inseguitore di tensione.

L' impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale è molto alta quando viene utilizzata una configurazione con seguitore di tensione o guadagno unitario. A volte l'impedenza di ingresso è molto più alta di 1 Megohm. Quindi, a causa dell'elevata impedenza di ingresso, possiamo applicare segnali deboli attraverso l'ingresso e nessuna corrente fluirà nel pin di ingresso dalla sorgente del segnale all'amplificatore. D'altra parte, l'impedenza di uscita è molto bassa e produrrà lo stesso segnale in ingresso, in uscita.

Nell'immagine sopra è mostrata la configurazione del seguace di tensione. L'uscita è collegata direttamente attraverso il terminale negativo dell'amplificatore operazionale. Il guadagno di questa configurazione è 1x.

Come sappiamo, Guadagno (Av) = Vout / Vin Quindi, 1 = Vout / Vin Vin = Vout.

A causa dell'elevata impedenza di ingresso, la corrente di ingresso è 0, quindi anche la potenza di ingresso è 0. Il follower di tensione fornisce un grande guadagno di potenza attraverso la sua uscita. A causa di questo comportamento, il follower di tensione è stato utilizzato come circuito buffer.

Inoltre, la configurazione del buffer fornisce un buon fattore di isolamento del segnale. A causa di questa caratteristica, il circuito inseguitore di tensione viene utilizzato nei filtri attivi di tipo Sallen in cui gli stadi del filtro sono isolati l'uno dall'altro utilizzando la configurazione dell'amplificatore operazionale inseguitore di tensione.

Sono disponibili anche circuiti buffer digitali, come 74LS125, 74LS244 ecc.

Poiché possiamo controllare il guadagno dell'amplificatore non invertente, possiamo selezionare più valori di resistori e possiamo produrre un amplificatore non invertente con una gamma di guadagno variabile.

Gli amplificatori non invertenti sono utilizzati nei settori dell'elettronica audio, nonché in ambito, mixer e vari luoghi in cui è necessaria la logica digitale utilizzando l'elettronica analogica.