L'amplificatore Operazionale ed i componenti passivi


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In molti dei filtri attivi il blocco fondamentale che ne costituisce il nucleo si individua nell'amplificatore operazionale, per la rilevanza che contraddistingue questo dispositivo riportiamo le nozioni base che ne individuano il funzionamento e le caratteristiche. L'amplificatore operazionale è nella sostanza un amplificatore con ingresso differenziale, operante in continua tramite accoppiamento diretto tra gli stadi che lo costituiscono, rappresentabile nello schema semplificato mostrato in figura:

Schema a blocchi di un amplificatore operazionale

Schema a blocchi di un amplificatore operazionale

Sono diversamente evidenziati lo stadio di ingresso, che amplifica la differenza di tensione tra i due terminali (ingresso invertente ed ingresso non invertente) e la converte in una tensione single-ended. Uno stadio centrale di elevata amplificazione, qui rappresentato per semplicità da un solo transistor. Uno stadio di uscita in classe AB che provvede a fornire un guadagno in corrente e nel contempo all'adattamento di impedenza. Idealmente gli amplificatori operazionali condividono le medesime caratteristiche principali:

  • Impedenza di ingresso molto elevata, sull'ordine di 107-1012 ohm

  • Impedenza di uscita molto bassa, sull'ordine degli ohm

  • Guadagno in tensione ad anello aperto molto elevato, tipicamente oltre 100 dB

  • Alimentazione duale

E' da notare che alcuni dispositivi prevedono una alimentazione singola anzichè duale, adatti quindi a specifiche applicazioni. L'alimentazione duale consente di ottimizzare più caratteristiche dinamiche dell'amplificatore e quindi ove possibile è da preferire questa configurazione, dato che nella pratica una alimentazione singola è spesso l'unica disponibile si deve obbligatoriamente ricostruire un riferimento virtuale pari a metà della VCC, con un partitore resistivo ad esempio, e connettervi l'ingresso non invertente. Per quanto descritto i due circuiti che potete osservare di seguito, un amplificatore nella configurazione non invertente con ingresso ed uscita riferiti a massa rispettivamente con alimentazione duale (sinistra) e singola (destra) sono, dal punto di vista del funzionamento statico, del tutto equivalenti:

Schemi di alimentazione e polarizzazione per un amplificatore operazionale

Schemi di alimentazione e polarizzazione per un amplificatore operazionale

Scelta dell'amplificatore operazionale. L'amplificatore che si impiegherà nei filtri che progettiamo dovrà possedere delle caratteristiche minime che ne assicurino il coretto funzionamento. Per quanto riguarda il rumore e la distorsione i criteri di analisi sono propri dello sviluppo dei circuiti amplificatori con operazionale e non specifici dei filtri, per tale ragione non è compito di questo tutorial addentrarsi su tali aspetti. Un parametro che invece si deve considerare come in stretta relazione alla funzione di filtro è il GBP (Gain Bandwidth Product) ovvero la frequenza alla quale il guadagno dell'amplificatore operazione diviene pari all'unità. Come regola generale, e approssimativa ma adeguata allo scopo, il GBP deve essere almeno pari al valore ottenuto dalla seguente relazione:

Dove GBP è il parametro Gain Bandwidth Product, F0 è la frequenza di taglio mentre G è il guadagno al centro della banda passante.

Scelta dei componenti passivi. Condensatori e resistenze sono importanti per le performance dei filtri soprattutto di quelli di ordine elevato o con notevole selettività. Tale esigenza si accentua inoltre con l'aumentare della frequenza operativa. Si raccomanda di scegliere per i condensatori i tipi in ceramica a coefficiente termico zero, noti come NPO, per valori inferiori a 1 nF mentre per valori superiori i tipi con mica argentata o policarbonato metallizzato. Naturalmente la preferenza va poi ai componenti con bassa tolleranza optando, se possibile, per valori standard così da ridurre i costi di acquisto ed assicurarne la reperibilità. I condensatori più comuni sono disponibili con valori nella seguente scala numerica:

1
1.5
2.2
3.3
4.7
6.8

Con minore reperibilità si ha una gamma più estesa:

1
1.2
1.5
1.8
2.2
2.7
3.3
3.9
4.7
5.6
6.8
8.2

Per le resistenze i valori più comuni, con tolleranza del 5%, sono disponibili nella seguente scala numerica:

1
1.2
1.5
1.8
2.2
2.7
3.3
3.9
4.7
5.6
6.8
8.2

Con tolleranza dell'1%, e minore reperibilità, si hanno disponibili 96 diversi valori in una scala che si estende su una decade.

Per ottenere multipli e sottomultipli dei valori, per i condensatori quanto per le resistenze, è sufficiente infine moltiplicare le scale proposte per potenze di dieci.

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