Abbiamo visto nell’ultimo tutorial che il guadagno ad anello aperto (AVO) di un amplificatore operazionale può essere molto alto, fino a 1.000.000 (120dB) o più.
Tuttavia, questo guadagno molto alto non è di alcuna utilità reale per noi in quanto rende l’amplificatore instabile e difficile da controllare in quanto il più piccolo dei segnali di ingresso, solo pochi microvolt (μV) sarebbe sufficiente a causare la saturazione della tensione di uscita e l’oscillazione verso una o l’altra delle rotaie di alimentazione perdendo il controllo completo dell’uscita.
Poiché il guadagno DC ad anello aperto di un amplificatore operazionale è estremamente alto, possiamo quindi permetterci di perdere un po’ di questo alto guadagno collegando una resistenza adatta attraverso l’amplificatore dal terminale di uscita al terminale di ingresso invertente per ridurre e controllare il guadagno complessivo dell’amplificatore. Questo produce un effetto conosciuto comunemente come Feedback Negativo, e quindi produce un sistema basato su un amplificatore operazionale molto stabile.
Il Feedback Negativo è il processo di “restituire” una frazione del segnale di uscita all’ingresso, ma per rendere il feedback negativo, dobbiamo riportarlo al terminale negativo o “ingresso invertente” dell’op-amp usando una resistenza di feedback esterna chiamata Rƒ. Questa connessione di feedback tra l’uscita e il terminale d’ingresso invertente forza la tensione differenziale d’ingresso verso lo zero.
Questo effetto produce un circuito ad anello chiuso all’amplificatore con il risultato che il guadagno dell’amplificatore è ora chiamato il suo Guadagno ad anello chiuso. Quindi un amplificatore invertente ad anello chiuso utilizza la retroazione negativa per controllare accuratamente il guadagno complessivo dell’amplificatore, ma al costo della riduzione del guadagno dell’amplificatore.
Questa retroazione negativa fa sì che il terminale d’ingresso invertente abbia un segnale diverso dalla tensione d’ingresso reale, poiché sarà la somma della tensione d’ingresso più la tensione di retroazione negativa, dandogli l’etichetta o il termine di punto di somma. Dobbiamo quindi separare il segnale d’ingresso reale dall’ingresso invertente usando una resistenza d’ingresso, Rin.
Poiché non stiamo usando l’ingresso positivo non invertente, questo è collegato ad una massa comune o terminale a tensione zero come mostrato sotto, ma l’effetto di questo circuito di retroazione ad anello chiuso fa sì che il potenziale di tensione all’ingresso invertente sia uguale a quello dell’ingresso non invertente, producendo un punto di somma di terra virtuale perché sarà allo stesso potenziale dell’ingresso di riferimento a terra. In altre parole, l’op-amp diventa un “amplificatore differenziale”.
Configurazione dell’amplificatore operativo invertente
In questo circuito di amplificatore invertente l’amplificatore operativo è collegato con feedback per produrre un funzionamento ad anello chiuso. Quando si tratta di amplificatori operazionali ci sono due regole molto importanti da ricordare sugli amplificatori invertenti, queste sono: “Nessuna corrente fluisce nel terminale di ingresso” e che “V1 è sempre uguale a V2”. Tuttavia, nei circuiti op-amp del mondo reale entrambe queste regole sono leggermente infrante.
Questo perché la giunzione dell’ingresso e del segnale di feedback ( X ) è allo stesso potenziale dell’ingresso positivo ( + ) che è a zero volt o terra quindi, la giunzione è una “Terra virtuale”. A causa di questo nodo di terra virtuale la resistenza d’ingresso dell’amplificatore è uguale al valore della resistenza d’ingresso, Rin e il guadagno ad anello chiuso dell’amplificatore invertente può essere impostato dal rapporto delle due resistenze esterne.
Abbiamo detto sopra che ci sono due regole molto importanti da ricordare sugli amplificatori invertenti o qualsiasi amplificatore operativo per quella materia e queste sono.
- Nessuna corrente fluisce nei terminali d’ingresso
- La tensione differenziale d’ingresso è zero come V1 = V2 = 0 (Terra virtuale)
Allora usando queste due regole possiamo ricavare l’equazione per calcolare il guadagno ad anello chiuso di un amplificatore invertente, usando i primi principi.
La corrente ( i ) scorre attraverso la rete di resistori come mostrato.
.invertente
Allora, il guadagno di tensione a circuito chiuso di un amplificatore invertente è dato come.
e questo può essere trasposto per dare Vout come:
Uscita lineare
Il segno negativo nell’equazione indica un’inversione del segnale di uscita rispetto all’ingresso in quanto è 180o fuori fase. Questo è dovuto al fatto che la retroazione ha un valore negativo.
L’equazione per la tensione di uscita Vout mostra anche che il circuito è lineare per un guadagno fisso dell’amplificatore come Vout = Vin x Gain. Questa proprietà può essere molto utile per convertire un segnale di sensore più piccolo in una tensione molto più grande.
Un’altra applicazione utile di un amplificatore invertente è quella di un circuito “amplificatore di transresistenza”. Un amplificatore a transresistenza, noto anche come “amplificatore a transimpedenza”, è fondamentalmente un convertitore corrente-tensione (corrente “in” e tensione “out”). Possono essere utilizzati in applicazioni a bassa potenza per convertire una corrente molto piccola generata da un fotodiodo o da un dispositivo di foto-rilevamento ecc, in una tensione di uscita utilizzabile che è proporzionale alla corrente di ingresso come mostrato.
Circuito amplificatore a transresistenza
Il semplice circuito attivato dalla luce sopra, converte una corrente generata dal fotodiodo in una tensione. La resistenza di retroazione Rƒ imposta il punto di tensione operativa all’ingresso invertente e controlla la quantità di uscita. La tensione di uscita è data come Vout = Is x Rƒ. Pertanto, la tensione di uscita è proporzionale alla quantità di corrente di ingresso generata dal fotodiodo.
Inverting Op-amp Example No1
Trova il guadagno ad anello chiuso del seguente circuito amplificatore invertente.
Utilizzando la formula precedentemente trovata per il guadagno del circuito
Possiamo ora sostituire i valori delle resistenze nel circuito come segue,
Rin = 10kΩ e Rƒ = 100kΩ
e il guadagno del circuito è calcolato come: -Rƒ/Rin = 100k/10k = -10
Quindi, il guadagno ad anello chiuso del circuito dell’amplificatore invertente di cui sopra è dato -10 o 20dB (20log(10)).
Inverting Op-amp Example No2
Il guadagno del circuito originale deve essere aumentato a 40 (32dB), trovare i nuovi valori delle resistenze necessarie.
Assumendo che la resistenza di ingresso deve rimanere allo stesso valore di 10KΩ, allora riorganizzando la formula del guadagno di tensione ad anello chiuso possiamo trovare il nuovo valore richiesto per la resistenza di feedback Rƒ.
Guadagno = Rƒ/Rin
quindi, Rƒ = Guadagno x Rin
Rƒ = 40 x 10.000
Rƒ = 400.000 o 400KΩ
I nuovi valori delle resistenze necessari al circuito per avere un guadagno di 40 sarebbero:
Rin = 10KΩ e Rƒ = 400KΩ
La formula potrebbe anche essere riorganizzata per dare un nuovo valore di Rin, mantenendo lo stesso valore di Rƒ.
Un ultimo punto da notare sulla configurazione dell’amplificatore invertente per un amplificatore operazionale, se le due resistenze sono di valore uguale, Rin = Rƒ allora il guadagno dell’amplificatore sarà -1 producendo una forma complementare della tensione di ingresso alla sua uscita come Vout = -Vin. Questo tipo di configurazione dell’amplificatore invertente è generalmente chiamato invertitore a guadagno unitario o semplicemente buffer invertente.
Nel prossimo tutorial sugli amplificatori operazionali, analizzeremo il complemento del circuito dell’amplificatore operazionale invertente chiamato amplificatore non invertente che produce un segnale di uscita che è “in fase” con l’ingresso.
div