In elettronica, un amplificatore è un circuito che accetta un segnale di ingresso e produce una versione grande non distorta del segnale come uscita. In questo tutorial, impareremo un’importante configurazione di un amplificatore operazionale chiamato amplificatore non invertente. Negli amplificatori operazionali non invertenti, l’ingresso è alimentato al terminale non invertente e l’uscita è in fase con l’ingresso.
Introduzione
Un amplificatore operazionale o più comunemente noto come amplificatore operazionale è essenzialmente un amplificatore differenziale multistadio ad alto guadagno che può essere utilizzato in diversi modi. Due circuiti importanti di un tipico amplificatore operazionale sono:
- Amplificatore invertente
- Amplificatore non invertente
Un amplificatore non invertente è una configurazione del circuito dell’amplificatore operazionale che produce un segnale di uscita amplificato e questo segnale di uscita dell’amplificatore operazionale non invertente è in fase con il segnale di ingresso applicato.
In altre parole, un amplificatore non invertente si comporta come un circuito inseguitore di tensione. Un amplificatore non invertente utilizza anche una connessione di feedback negativo, ma invece di inviare l’intero segnale di uscita all’ingresso, solo una parte della tensione del segnale di uscita viene restituita come ingresso al terminale di ingresso invertente dell’amplificatore operazionale. L’elevata impedenza di ingresso e la bassa impedenza di uscita dell’amplificatore non invertente rendono il circuito ideale per le applicazioni di buffering dell’impedenza.
Circuito amplificatore non invertente ideale
Lo schema elettrico di un amplificatore non invertente ideale è mostrato nella figura seguente. Dal circuito, si può vedere che R2 (Rf nell’immagine sopra) e R1 (R1 nell’immagine sopra) fungono da divisore di potenziale per la tensione di uscita e la tensione ai capi del resistore R1 viene applicata all’ingresso invertente.
Quando l’ingresso non invertente è collegato a terra, cioè VIN = 0, anche la tensione al morsetto di ingresso invertente deve essere a terra; in caso contrario, qualsiasi differenza di tensione tra i terminali di ingresso verrebbe amplificata per riportare il terminale di ingresso invertente al livello di terra (gli ingressi dell’amplificatore operazionale saranno sempre alla stessa tensione).
Poiché il terminale di ingresso invertente è a terra, anche la giunzione delle resistenze R1 e R2 deve essere a terra. Ciò implica che la caduta di tensione attraverso R1 sarà zero. Di conseguenza, la corrente che scorre attraverso R1 e R2 deve essere zero. Pertanto, non ci sono cadute di tensione su R2, e quindi la tensione di uscita è uguale alla tensione di ingresso, che è 0V.
Quando un segnale di ingresso positivo viene applicato al terminale di ingresso non invertente, la tensione di uscita si sposterà per mantenere il terminale di ingresso invertente uguale a quello della tensione di ingresso applicata. Quindi, ci sarà una tensione di retroazione sviluppata attraverso il resistore R1,
VR1 = VIN = VOUT R1 / (R1 + R2)
Guadagno di tensione dell’amplificatore operazionale non invertente
Dall’equazione precedente, di VIN in termini di VOUT, il guadagno di tensione ad anello chiuso dell’amplificatore non invertente ACL può essere calcolato come:
L’equazione del guadagno di cui sopra è positiva, a indicare che l’uscita sarà in fase con il segnale di ingresso applicato. Il guadagno di tensione ad anello chiuso di un amplificatore non invertente è determinato dal rapporto tra i resistori R1 e R2 utilizzati nel circuito.
In pratica, gli amplificatori non invertenti avranno un resistore in serie con la sorgente di tensione di ingresso, per mantenere la stessa corrente di ingresso su entrambi i terminali di ingresso.
Corto virtuale
In un amplificatore non invertente esiste un cortocircuito virtuale tra i due terminali di ingresso. Un cortocircuito virtuale è un cortocircuito per la tensione, ma un circuito aperto per la corrente. Il corto virtuale utilizza due proprietà di un amplificatore operazionale ideale:
Poiché RIN è infinito, la corrente di ingresso su entrambi i terminali è zero.
Poiché Open Loop Gain AOL è infinito, la differenza di tensione (V1 – V2) è sempre zero.
Sebbene virtual short sia un’approssimazione ideale, fornisce valori accurati se utilizzato con un forte feedback negativo. Finché l’amplificatore operazionale funziona nella regione lineare (non saturato, positivamente o negativamente), il guadagno di tensione ad anello aperto si avvicina all’infinito ed esiste un cortocircuito virtuale tra due terminali di ingresso.
A causa del cortocircuito virtuale, la tensione di ingresso invertente segue la tensione di ingresso non invertente. Se la tensione di ingresso non invertente aumenta o diminuisce, la tensione di ingresso invertente aumenta o diminuisce immediatamente allo stesso valore. Questa azione viene spesso definita “Bootstrapping”.
Circuito inseguitore di tensione
L’inseguitore di tensione è uno degli usi più semplici di un amplificatore operazionale, in cui la tensione di uscita è esattamente la stessa della tensione di ingresso applicata al circuito. In altre parole, il guadagno di un circuito inseguitore di tensione è l’unità.
L’uscita dell’amplificatore operazionale è direttamente collegata al terminale di ingresso invertente e la tensione di ingresso viene applicata al terminale di ingresso non invertente. L’inseguitore di tensione, come un amplificatore non invertente, ha un’impedenza di ingresso molto elevata e un’impedenza di uscita molto bassa. Lo schema elettrico di un inseguitore di tensione è mostrato nella figura seguente.
Nell’inseguitore di tensione, il resistore R2 è uguale a zero e R1 è infinito. Quindi, il guadagno dell’inseguitore di tensione sarà uguale a 1. Quindi, un inseguitore di tensione è anche comunemente noto come Unity Gain Buffer.
Il circuito inseguitore di tensione o buffer a guadagno unitario viene comunemente utilizzato per isolare circuiti diversi, ovvero per separare uno stadio del circuito da un altro e utilizzato anche in applicazioni di adattamento di impedenza. In pratica, la tensione di uscita di un inseguitore di tensione non sarà esattamente uguale alla tensione di ingresso applicata e ci sarà una leggera differenza. Questa differenza è dovuta all’elevato guadagno di tensione interno dell’amplificatore operazionale.
NOTA: il guadagno di tensione ad anello aperto di un amplificatore operazionale è infinito e il guadagno di tensione ad anello chiuso del follower di tensione è unitario. Ciò implica che, selezionando attentamente i componenti di feedback, possiamo controllare accuratamente il guadagno di un amplificatore non invertente.
Riepilogo dell’amplificatore non invertente
Un amplificatore non invertente utilizza una connessione di retroazione negativa con polarizzazione del divisore di tensione.
Il guadagno di tensione è sempre maggiore di uno.
Il guadagno di tensione è positivo, indicando che per l’ingresso CA, l’uscita è in fase con il segnale di ingresso e per l’ingresso CC, la polarità dell’uscita è la stessa della polarità dell’ingresso.
Il guadagno di tensione dell’amplificatore operazionale non invertente dipende solo dai valori del resistore ed è indipendente dal guadagno ad anello aperto dell’amplificatore operazionale.
Il guadagno di tensione desiderato può essere ottenuto scegliendo i valori appropriati dei resistori.
Conclusione
Un semplice tutorial sugli amplificatori operazionali non invertenti. Hai imparato il circuito di un amplificatore non invertente ideale, il guadagno di tensione, l’impedenza di ingresso e di uscita, l’applicazione dell’inseguitore di tensione e un circuito di esempio con tutti i calcoli importanti.