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- 23 Dicembre 2017
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La seconda configurazione di base di un circuito con amplificatore operazionale è quella non-invertente.
In questa configurazione, il segnale di tensione in ingresso, (Vin) è applicato direttamente al terminale di ingresso non invertente (+), quindi il guadagno di uscita dell'amplificatore diventa “positivo” al contrario del circuito “amplificatore invertente” come abbiamo visto nell'ultima lezione il cui guadagno di uscita è negativo in termini di valore. Il risultato sarà che il segnale di uscita è “in fase” con il segnale di ingresso.
Il controllo della retroazione dell'amplificatore operazionale non invertente è ottenuta applicando una piccola parte del segnale di tensione di uscita all'ingresso invertente ( - ) sul terminale di ingresso, tramite una rete con partitore di tensione Rƒ - R2, producendo nuovamente una retroazione negativa o feedback negativo. Questa configurazione ad anello chiuso produce un circuito amplificatore non invertente con una stabilità molto buona, un'impedenza di ingresso molto elevata, Rin infinita, quindi nessuna corrente fluisce nel terminale di ingresso positivo, (condizioni ideali) ed una bassa impedenza di uscita Rout, come mostrato sotto.
Nel precedente tutorial dell'amplificatore operazionale invertente, abbiamo detto che per un Amplificatore Operazionale ideale “Non fluisce corrente nel terminale di ingresso” e che “V1 è uguale sempre a V2” . Questo perché la giunzione del segnale di ingresso e di retroazione ( V1 ) sono allo stesso potenziale.
In altre parole la giunzione è una “massa virtuale”. A causa di questo nodo di massa virtuale i resistori Rƒ e R2 formano una semplice rete con partitore di tensione. Il guadagno di tensione dell'amplificatore operazionale non invertente sarà determinato dai rapporti di R2 e Rƒ come mostrato di seguito.
Rete con partitore di tensione
Quindi utilizzando la formula per calcolare la tensione di uscita di un partitore di tensione, possiamo calcolare il guadagno di tensione ad anello chiuso ( AV ) dell'amplificatore non invertente come segue:
Quindi il guadagno di tensione ( Av ) di un amplificatore operazionale non invertente sarà dato dalla formula:
Possiamo vedere dall'equazione sopra, che il guadagno complessivo ad anello chiuso di un amplificatore non invertente sarà sempre maggiore, ma non meno di uno, è positivo ed è determinato dal rapporto dei valori di Rƒ e R2 .
Se il valore della resistenza di retroazione Rƒ è zero, il guadagno dell'amplificatore sarà esattamente uguale a uno (unità). Se il resistore R2 è zero il guadagno si avvicina all'infinito, ma in pratica sarà uguale all' amplificatore operazionale ad anello aperto con guadagno differenziale, ( Ao ).
Possiamo facilmente convertire una configurazione invertente dell'amplificatore operazionale in configurazione non invertente semplicemente cambiando le connessioni di ingresso come mostrato.
Inseguitore di tensione (buffer) a guadagno unitario
Se abbiamo inserito la resistenza di retroazione Rƒ pari a zero, ( Rƒ = 0 ), ed il resistore Rin uguale ad infinito, (Rin = ∞ ), allora il circuito avrebbe un guadagno fisso di “1” e tutta la tensione in uscita sarebbe presente sul terminale di ingresso invertente (feedback negativo). Ciò produrrà un particolare tipo di circuito amplificatore non invertente chiamato inseguitore di tensione o anche chiamato “buffer di guadagno unitario” o "Voltage follower".
Poiché il segnale di ingresso è collegato direttamente all'ingresso non invertente dell'amplificatore il segnale di uscita non viene invertito, ne consegue che la tensione di uscita è uguale alla tensione di ingresso, Vout = Vin . Ciò rende quindi l' inseguitore di tensione un circuito ideale come buffer con guadagno unitario per le sue proprietà di isolamento.
Il vantaggio di un inseguitore di tensione a guadagno unitario è che può essere utilizzato in corrispondenza di impedenza o di isolamento del circuito. L'impedenza di ingresso dell'inseguitore di tensione è molto alta, generalmente al di sopra di 1M in quanto è uguale a quella della resistenza in ingresso all'operazionale. Anche la sua impedenza di uscita è molto bassa in quanto è una condizione che assumono gli operazionali ideali.
La tensione di ingresso Vin è applicata all'ingresso non invertente e il guadagno dell'amplificatore è dato con la formula:
Il buffer inseguitore di tensione è molto utile ed è comunemente usato in elettronica per isolare i circuiti l'uno dall'altro.
Una considerazione finale, il guadagno di tensione ad anello chiuso di un circuito inseguitore di tensione è “1”. Il guadagno di tensione ad anello aperto di un amplificatore operazionale con nessuna retroazione è infinito . Quindi selezionando accuratamente i componenti di retroazione possiamo controllare la quantità di guadagno prodotto da un amplificatore operazionale non invertente.
Finora abbiamo analizzato un circuito amplificatore invertente e non invertente che ha un solo segnale di ingresso, Vin.
Nel prossimo tutorial sugli amplificatori operazionali , esamineremo l'effetto della tensione di uscita Vout collegando più ingressi all'amplificatore. Questo produce quindi un altro tipo comune di circuito amplificatore operazionale chiamato amplificatore sommatore che può essere usato per “addizionare” insieme le tensioni presenti sui suoi ingressi.
In questa configurazione, il segnale di tensione in ingresso, (Vin) è applicato direttamente al terminale di ingresso non invertente (+), quindi il guadagno di uscita dell'amplificatore diventa “positivo” al contrario del circuito “amplificatore invertente” come abbiamo visto nell'ultima lezione il cui guadagno di uscita è negativo in termini di valore. Il risultato sarà che il segnale di uscita è “in fase” con il segnale di ingresso.
Il controllo della retroazione dell'amplificatore operazionale non invertente è ottenuta applicando una piccola parte del segnale di tensione di uscita all'ingresso invertente ( - ) sul terminale di ingresso, tramite una rete con partitore di tensione Rƒ - R2, producendo nuovamente una retroazione negativa o feedback negativo. Questa configurazione ad anello chiuso produce un circuito amplificatore non invertente con una stabilità molto buona, un'impedenza di ingresso molto elevata, Rin infinita, quindi nessuna corrente fluisce nel terminale di ingresso positivo, (condizioni ideali) ed una bassa impedenza di uscita Rout, come mostrato sotto.
Amplificatore Operazionale in configurazione Non Invertente
Nel precedente tutorial dell'amplificatore operazionale invertente, abbiamo detto che per un Amplificatore Operazionale ideale “Non fluisce corrente nel terminale di ingresso” e che “V1 è uguale sempre a V2” . Questo perché la giunzione del segnale di ingresso e di retroazione ( V1 ) sono allo stesso potenziale.
In altre parole la giunzione è una “massa virtuale”. A causa di questo nodo di massa virtuale i resistori Rƒ e R2 formano una semplice rete con partitore di tensione. Il guadagno di tensione dell'amplificatore operazionale non invertente sarà determinato dai rapporti di R2 e Rƒ come mostrato di seguito.
Rete con partitore di tensione
Quindi utilizzando la formula per calcolare la tensione di uscita di un partitore di tensione, possiamo calcolare il guadagno di tensione ad anello chiuso ( AV ) dell'amplificatore non invertente come segue:
Quindi il guadagno di tensione ( Av ) di un amplificatore operazionale non invertente sarà dato dalla formula:
Possiamo vedere dall'equazione sopra, che il guadagno complessivo ad anello chiuso di un amplificatore non invertente sarà sempre maggiore, ma non meno di uno, è positivo ed è determinato dal rapporto dei valori di Rƒ e R2 .
Se il valore della resistenza di retroazione Rƒ è zero, il guadagno dell'amplificatore sarà esattamente uguale a uno (unità). Se il resistore R2 è zero il guadagno si avvicina all'infinito, ma in pratica sarà uguale all' amplificatore operazionale ad anello aperto con guadagno differenziale, ( Ao ).
Possiamo facilmente convertire una configurazione invertente dell'amplificatore operazionale in configurazione non invertente semplicemente cambiando le connessioni di ingresso come mostrato.
Se abbiamo inserito la resistenza di retroazione Rƒ pari a zero, ( Rƒ = 0 ), ed il resistore Rin uguale ad infinito, (Rin = ∞ ), allora il circuito avrebbe un guadagno fisso di “1” e tutta la tensione in uscita sarebbe presente sul terminale di ingresso invertente (feedback negativo). Ciò produrrà un particolare tipo di circuito amplificatore non invertente chiamato inseguitore di tensione o anche chiamato “buffer di guadagno unitario” o "Voltage follower".
Poiché il segnale di ingresso è collegato direttamente all'ingresso non invertente dell'amplificatore il segnale di uscita non viene invertito, ne consegue che la tensione di uscita è uguale alla tensione di ingresso, Vout = Vin . Ciò rende quindi l' inseguitore di tensione un circuito ideale come buffer con guadagno unitario per le sue proprietà di isolamento.
Il vantaggio di un inseguitore di tensione a guadagno unitario è che può essere utilizzato in corrispondenza di impedenza o di isolamento del circuito. L'impedenza di ingresso dell'inseguitore di tensione è molto alta, generalmente al di sopra di 1M in quanto è uguale a quella della resistenza in ingresso all'operazionale. Anche la sua impedenza di uscita è molto bassa in quanto è una condizione che assumono gli operazionali ideali.
Inseguitore di tensione Non Invertente
In questa configurazione non invertente, l'impedenza di ingresso Rin è infinita e l'impedenza di retroazione Rƒ ridotta a zero. L'uscita è collegata direttamente all'ingresso invertente negativo così la retroazione (o feedback) è del 100% e Vin è esattamente uguale a Vout dandogli un guadagno fisso di 1.
La tensione di ingresso Vin è applicata all'ingresso non invertente e il guadagno dell'amplificatore è dato con la formula:
| e |
|
Il buffer inseguitore di tensione è molto utile ed è comunemente usato in elettronica per isolare i circuiti l'uno dall'altro.
Una considerazione finale, il guadagno di tensione ad anello chiuso di un circuito inseguitore di tensione è “1”. Il guadagno di tensione ad anello aperto di un amplificatore operazionale con nessuna retroazione è infinito . Quindi selezionando accuratamente i componenti di retroazione possiamo controllare la quantità di guadagno prodotto da un amplificatore operazionale non invertente.
Finora abbiamo analizzato un circuito amplificatore invertente e non invertente che ha un solo segnale di ingresso, Vin.
Nel prossimo tutorial sugli amplificatori operazionali , esamineremo l'effetto della tensione di uscita Vout collegando più ingressi all'amplificatore. Questo produce quindi un altro tipo comune di circuito amplificatore operazionale chiamato amplificatore sommatore che può essere usato per “addizionare” insieme le tensioni presenti sui suoi ingressi.