2. Le Configurazioni Amplificatrici Fondamentali Di Un A.O.

Configurazione invertente, Configurazione non-invertente, Buffer

2.1. Configurazione invertente

Un amplificatore operazionale si dice collegato in configurazione invertente quando il segnale in uscita è sfasato di 180° rispetto al segnale di ingresso: se l’ingresso è positivo, l’uscita risulta negativa e viceversa.

Per ottenere questo occorre che il segnale di ingresso sia applicato sul terminale invertente, contrassegnato dal segno - (meno). Lo schema di un amplificatore invertente è mostrato in fig. 4:

Tenendo presenti le condizioni di cortocircuito virtuale, espesse nella sezione 1.2, è possibile ricavare la relazione esistente tra segnale di ingresso e segnale di uscita:

E’ evidente che agendo sul valore di R1 ed R2 è possibile far variare il guadagno dell’amplificatore entro il range - infinito e 0. Ciò significa che il guadagno dello stadio può variare tra un valore molto piccolo (per R1 <<>> R2), però sempre con un segno negativo, proprio perché la fase del segnale dell’ingresso viene per definizione invertita di 180°.

ESERCIZI PROPOSTI

Esercizio 1

Nell’amplificatore invertente di figura 4 sono noti i seguenti parametri:

R1=500 Ohm e R2=10 KOhm

Determinare il guadagno dello stadio.
Soluzione: Av = -20

Esercizio 2

Nell’amplificatore invertente di figura 4 è noto il seguente parametro: R1=8 KOhm.

In ingresso viene posto un segnale variabile con ampiezza massima 10 mV. Si vorrebbe ottenere in uscita un’edizione amplificata del segnale di ingresso tale che:

- l’uscita abbia rispetto all’ingresso un’inversione di fase;

- l’uscita abbia l’ampiezza massima di 5 V.

Determinare:

- il valore che deve avere il guadagno dello stadio affinché l’amplificatore soddisfi i requisiti richiesti;

- il valore che deve avere R2 per ottenere il guadagno richiesto;
Soluzione: Av = -500; R2= 4 MOhm

2.2. Configurazione non-invertente

Un amplificatore operazionale si dice collegato in configurazione non-invertente quando il segnale in uscita è perfettamente in fase rispetto al segnale di ingresso: se l’ingresso è positivo, l’uscita risulta positiva e viceversa.

Per ottenere questo occorre che il segnale di ingresso sia applicato sul terminale non-invertente, contrassegnato dal segno + (più).

Lo schema di un amplificatore non-invertente è mostrato in fig. 5:

Tenendo presenti le condizioni di cortocircuito virtuale, espesse nella sezione 1.2, è possibile ricavare la relazione esistente tra segnale di ingresso e segnale di uscita:
E’ evidente che agendo sul valore di R1 ed R2 è possibile far variare il guadagno dell’amplificatore entro il range: 1 + infinito.

Ciò significa che il guadagno dello stadio può variare tra un valore minimo pari circa all’unità (per R1 >> R2 ) a un valore molto grande, sempre però positivo.
Non è perciò possibile ottenere stati non-invertenti con guadagno inferiore a 1. Per ottenere tale risultato è necessario ricorrere a due stadi invertenti posti in cascata:

- il prodotto dei loro singoli guadagni deve corrispondere al guadagno complessivo richiesto;

- la duplice inversione di fase garantisce la conservazione del segno tra ingresso e uscita.

ESERCIZI PROPOSTI

Esercizio 3

Nell’amplificatore non-invertente di figura 5 sono noti i seguenti parametri:- R1=100 KOhm;- R2=400 KOhm;Determinare il guadagno dello stadio.
Soluzione: Av = +5

Esercizio 4

Nell’amplificatore non-invertente di figura 5 è noto il seguente parametro: R2= 1 KOhm; in ingresso viene posto un segnale variabile con ampiezza massima 200 mV.Si vorrebbe ottenere in uscita un’edizione amplificata del segnale di ingresso tale che l’uscita abbia, rispettoall’ingresso, la stessa fase, ma ampiezza massima di 4 V. Determinare- il valore che deve avere il guadagno dello stadio affinché l’amplificatore soddisfi i requisiti richiesti;- il valore che deve avere R1 per ottenere il guadagno richiesto;
Soluzione: Av = +20; R1 = 19 KOhm

2.3. Buffer (inseguitore di tensione)

Un caso particolare deriva dalla configurazione non invertente nella quale il rapporto tra R2 e R1 è nullo. Ciò può essere ottenuto imponendo i seguenti valori:

R1 = + infinito (circuito aperto) e R2 = 0 (cortocircuito);

Lo schema che ne risulta è detto “buffer” (o inseguitore di tensione), ed è indicato in figura 6:

E’ immediato constatare come in questo caso la configurazione abbia guadagno unitario:

Si ha pertanto Vu=Vi (da qui il nome “inseguitore di tensione”).

A prima vista, la funzione svolta dal Buffer può risultare priva di utilità pratica: in fondo l’uscita ha esattamente lo stesso andamento (in fase e modulo) dell’ingresso. Tuttavia la vera utilità emerge riflettendo sul fatto che questo stadio presenta resistenza di ingresso infinita e resistenza di uscita nulla: il segnale di uscita è uguale a quello di ingresso, tuttavia la rete connessa all’uscita viene disaccoppiata dalla rete posta in ingresso.

Ciò risulta particolarmente utile quando si vogliono impedire indesiderati effetti di carico tra la rete posta a monte del Buffer e la rete posta a valle.