In elettronica, un amplificatore operazionale (in inglese operational amplifier oppure op-amp) è un amplificatore differenziale avente (solitamente) una sola uscita di tipo single-ended. Grazie anche alla sua versatilità, è uno dei dispositivi più largamente utilizzati sia in ambito commerciale sia scientifico, in particolar modo nei circuiti analogici.
Storia Il termine amplificatore operazionale è stato prodotto per la prima volta negli anni quaranta per individuare uno speciale tipo di amplificatore che per mezzo di una scelta opportuna dei componenti esterni eseguisse una vasta gamma di operazioni. I primi amplificatori vennero realizzati tramite tubi termoionici (valvole), i quali però avevano ereditato dalle valvole tutti i difetti: erano molto voluminosi, consumavano molta energia, erano costosi e imprecisi al punto di vedere l'offset a oltre 1 V.
Un enorme passo avanti nella miniaturizzazione degli amplificatori operazionali si ebbe grazie all'introduzione dei transistori bipolari.
Tuttavia l'evento decisivo per la miniaturizzazione fu lo sviluppo dei circuiti integrati. Il primo di questi dispositivi fu il velocissimo (20 ÷ 30 MHz di banda passante) e costosissimo (300 $ del tempo) µA702 sviluppato nell'ottobre 1964 da Robert J. Widlar all'epoca ancora presso la Fairchild Semiconductor. Nel 1968 lo stesso costruttore introdusse il popolare µA741 progettato nel 1968 da David Fullagar.
Descrizione
Idealmente si tratta di un circuito caratterizzato da un guadagno di tensione infinito, un'impedenza d'ingresso di valore infinito, e una impedenza d'uscita nulla. Da tali supposizioni, che consentono nella pratica di svolgere i calcoli per controllare il funzionamento della retroazione, discendono due proprietà ideali fondamentali: la differenza tra le tensioni applicate in ingresso è nulla (se la retroazione è negativa), e le correnti di ingresso (Ibias) sono nulle.
Il nome è dovuto al fatto che, con esso, è possibile realizzare circuiti elettronici in grado di effettuare numerose operazioni matematiche: la somma, la sottrazione, la derivata, l'integrale, il calcolo di logaritmi e di antilogaritmi. Nella maggior parte delle applicazioni l'amplificatore operazionale è costituito da un circuito integrato.
La maggior parte degli amplificatori operazionali è progettata per lavorare con una tensione di alimentazione duale, cioè con un valore positivo e uno negativo, simmetrici rispetto a ground. Le due tensioni di alimentazione non necessariamente debbono avere lo stesso valore: ad esempio la tensione positiva potrebbe essere di 15 volt, quella negativa di 7 volt; la versatilità di questi dispositivi è tale che vi possono essere applicazioni in cui la tensione negativa può essere posta a zero, cioè il componente è alimentato da una singola tensione. Nell'alimentazione duale, il livello del segnale in uscita può spaziare tra i due valori di tensione d'alimentazione a meno di un piccolo margine, che può variare a seconda del tipo di operazionale adottato.
Dal punto di vista costruttivo, l'amplificatore operazionale può essere realizzato con transistor a giunzione bipolare (BJT) oppure transistor ad effetto di campo (MOSFET, JFET); questi ultimi lavorano a frequenze maggiori, permettono inoltre di ottenere una impedenza di ingresso più elevata e un minore consumo energetico. Il package può essere plastico, ceramico o metallico e può contenere fino a quattro dispositivi identici. Una tipologia molto particolare, progettata e commercializzata da alcuni piccoli produttori per il settore audiofilo fa uso di una tecnologia detta "a discreti", ovvero, il circuito è realizzato con componentistica comune, assemblata comunque in una forma estremamente miniaturizzata, tanto da poter essere sostituita al componente integrato originale.
L'amplificatore operazionale è un dispositivo a elevato guadagno (nei dispositivi integrati è spesso maggiore di 10^5) il cui utilizzo è permesso dall'aggiunta di una rete di retroazione, che collega l'uscita all'ingresso in modo tale da diminuire il valore del segnale (tensione o corrente) in entrata (nel caso la retroazione sia negativa, come solitamente succede.La retroazione positiva, molto meno diffusa, è utilizzata ad esempio nella produzione di oscillatori.). In questo modo il comportamento del dispositivo non dipende dal particolare valore del suo guadagno, che è detto per tale motivo guadagno ad anello aperto, ma soltanto dalle caratteristiche della rete di retroazione..
L'amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale fornito di un'uscita e due ingressi che amplifica la differenza di potenziale tra i due ingressi. Un ingresso è detto invertente ed è indicato con il simbolo , l'altro è detto non invertente ed è indicato con il simbolo . Solitamente si descrive l'amplificatore operazionale con un modello ideale, in cui il guadagno è infinito, l'impedenza di ingresso è infinita, l'impedenza di uscita è nulla e il guadagno di modo comune è nullo. Si assume inoltre che in un dispositivo ideale la risposta dell'uscita a una sollecitazione dell'ingresso sia istantanea, e che se gli ingressi hanno lo stesso valore l'uscita è nulla. Il fatto che la resistenza d'ingresso sia infinita significa che l'amplificatore non assorbe corrente da nessuno dei due terminali d'ingresso,A causa di queste proprietà, un amplificatore operazionale è spesso rappresentato tramite un nullore. In alcune applicazioni questa proprietà viene a mancare, poiché il circuito è progettato per sfruttare le caratteristiche non lineari della transcaratteristica. Ad esempio questo avviene nei circuiti comparatori. e il fatto che la resistenza di uscita sia nulla fa sì che un amplificatore operazionale ideale sia un perfetto amplificatore di tensione. Utilizzando un'opportuna configurazione, inoltre, l'amplificatore operazionale viene utilizzato anche come amplificatore di corrente.
Il funzionamento dell'amplificatore operazionale si basa sull'elevato valore del guadagno ad anello aperto: è sufficiente anche una variazione minima della differenza di tensione tra gli ingressi per avere un valore in uscita che il dispositivo non è in grado di erogare. Pertanto, l'uscita risponde a una variazione della differenza di tensione tra gli ingressi in modo tale da annullare tale variazione. In altre parole, l'amplificatore fa in modo che la rete di retroazione mantenga minima (idealmente nulla) la differenza di potenziale tra i due ingressi (il cui potenziale è detto massa virtuale), così da avere un guadagno limitato e rendere utilizzabile il dispositivo..
Detti e i valori della tensione agli ingressi, la tensione in uscita è data da:
dove è il guadagno senza retroazione (guadagno ad anello aperto).
Si consideri un amplificatore operazionale con guadagno in tensione ad anello aperto tale che la rete di retroazione diminuisca l'ingresso di un fattore . Si ha:
ovvero:
Si definisce guadagno ad anello chiuso il guadagno dell'amplificatore con la retroazione inserita:
Nel limite in cui il guadagno ad anello aperto si considera infinito si ha , mentre per il corretto funzionamento di un dispositivo reale si deve avere il prodotto molto maggiore dell'unità.
Uno dei principali vantaggi che hanno condotto all'utilizzo estensivo dell'amplificatore operazionale in quasi ogni ambito dell'elettronica analogica, e che lo rende spesso preferibile a un analogo dispositivo che fornisca il medesimo guadagno senza la necessità di una retroazione, è quello di avere un guadagno complessivo (ad anello chiuso) molto poco dipendente da fattori che contribuiscono alla sua alterazione, come la frequenza del segnale in ingresso o la temperatura. Fu a causa di questa caratteristica che è stato storicamente introdotto l'utilizzo della retroazione negativa, inventata da Harold Black per ottenere un'amplificazione di un segnale telefonico uguale a ogni frequenza e indipendente dall'ampiezza (la prima pubblicazione al riguardo risale al 1934)..
Il discorso per l'amplificazione di un segnale in corrente è del tutto analogo: la capacità di amplificare tensione o corrente è determinata dalla configurazione della rete di retroazione. In particolare, nella configurazione detta non-invertente (mostrata nel seguito) la rete di retroazione diminuisce il valore della tensione del segnale in ingresso, mentre nella configurazione detta invertente avviene lo stesso per la corrente.
Inoltre, se il comportamento della retroazione è dipendente dalla frequenza del segnale l'amplificatore è un equalizzatore, mentre se dipende dall'ampiezza del segnale l'amplificatore è non lineare.
Rapporto di reiezione di modo comune
La tensione di uscita di un amplificatore differenziale ideale è data da . In un dispositivo reale, l'uscita è descritta in modo più preciso dalla relazione:
dove è il guadagno di modo comune, solitamente molto minore del guadagno differenziale . Il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) è definito come il rapporto:
In generale il CMRR dipende dalla frequenza del segnale, ed è un parametro importante nell'ambito della riduzione del rumore sulle linee di trasmissione. Ad esempio, quando si misura una termocoppia in ambiente rumoroso (cioè disturbato), il rumore dell'ambiente appare come un offset su entrambi gli input, e può pertanto essere rappresentato come un segnale di tensione di modo comune. Il CMRR dello strumento di misurazione determina l'attenuazione applicata al rumore.
Amplificatore operazionale reale In un amplificatore operazionale non vi è guadagno infinito, anche se esso ha un valore molto grande, in genere dell'ordine di . Inoltre per l'impedenza di ingresso si ha , mentre per quella di uscita: . Esistono sul mercato amplificatori operazionali anche di costo contenuto con impedenza d'ingresso nell'ordine di . In un amplificatore reale la differenza di potenziale che deve essere applicata tra gli ingressi per azzerare l'uscita non è nulla, ed è detta tensione di offset. Si tratta della tensione che si ha in uscita alimentando l'amplificatore (+-Vcc) e collegando i morsetti di ingresso al riferimento. Negli ingressi degli amplificatori operazionali scorrono inoltre correnti che producono cadute di tensione sulle impedenze o sulla resistenza di uscita: l'amplificatore non è quindi mai perfettamente bilanciato, e non si ha . Per questo motivo le correnti nei morsetti d'ingresso dipendono dal tipo di transistor di cui è composto l'amplificatore: se si tratta di un transistor BJT queste correnti sono dell'ordine del nanoampere, mentre per il JFET sono dell'ordine dei picoampere.
Si definisce corrente di offset:
Molti operazionali in commercio posseggono degli ingressi supplementari per azzerare questa tensione.
Un parametro importante è il rapporto di reiezione della tensione di alimentazione (in inglese Power supply rejection ratio, abbreviato in PSRR). Se variano le tensioni di alimentazione, variano i punti di lavoro dei transistori interni e questo causa a sua volta alterazioni della tensione di offset. Pertanto si definisce:
che rappresenta la variazione della tensione di offset causata da una variazione di 1 V della tensione di alimentazione. Il PSRR può essere indicato sia in dB sia in μV/V, e ha valori simili a quelli del CMRR. Quando il dispositivo è alimentato da tensioni ben regolate, prive di disturbi e costantemente simmetriche, l'effetto del valore finito del PSRR è di solito trascurabile rispetto alle altre fonti d'errore. In alcuni dispositivi la tensione di offset può essere corretta, agendo su una coppia di pin supplementari. Inoltre, esistono operazionali progettati per lavorare con una tensione singola rispetto a ground, uno fra i più diffusi è l'LM358.
Configurazioni di base Si consideri un amplificatore operazionale ideale, quindi con impedenza di ingresso infinita, impedenza di uscita nulla, il guadagno e la larghezza di banda hanno un valore infinito.
Amplificatore invertente