Come visto, il transistor è alla base di molti schemi circuitali per amplificare i segnali di tensione; tuttavia, esiste un circuito dedicato a questo scopo, utilizzato principalmente nell’elettronica analogica, chiamato amplificatore operazionale. La peculiarità di tale circuito è il guadagno di tensione molto elevato (dell’ordine di 106), intendendo come guadagno il rapporto tra il segnale di uscita e la differenza dei segnali di ingresso.
L’amplificatore operazionale ha due ingressi detti ingresso non invertente e ingresso invertente, di solito indicati con i simboli Vin+ e Vin-. Il dispositivo è dotato di un’unica uscita Vout. L’alimentazione è in genere duale con due tensioni di alimentazione simmetriche a +Vcc e -Vcc, i cui valori generalmente sono compresi tra 12 e 15 Volt. Il simbolo dell’amplificatore operazionale è un triangolo, come quello qui raffigurato:
Un amplificatore operazionale ideale ha un guadagno infinito, ma, in realtà, per un intervallo di tensioni di ingresso limitato, presenta un guadagno A, limitato e costante, definito come
A=Vout/(Vin+ -Vin–)
Per tale intervallo, di solito di pochi Volt, delle due tensioni di ingresso, l’amplificatore si comporta come un dispositivo lineare, con A costante.
Un’importante configurazione di utilizzo di un amplificatore operazionale è con anello di retroazione, in cui l’uscita viene riportata su uno dei due ingressi, quello negativo, per mezzo di un resistore. Questo realizza una retroazione negativa. La retroazione negativa ha lo scopo di smorzare il funzionamento del sistema stabilizzandolo. Per esempio, gli amplificatori audio, di segnale o di potenza, stabilizzano autonomamente il proprio guadagno, con una funzione automatica, del tutto trasparente all’utente.
L’amplificatore operazionale è alla base di moltissimi circuiti analogici che permettono di eseguire tutte le principali operazioni matematiche su segnali analogici. Si avranno quindi sommatori, sottrattori, integratori, derivatori, moltiplicatori ecc.
Un’altra applicazione molto importante degli amplificatori operazionali è la realizzazione di filtri (lineari e no). Un filtro è un circuito elettrico che permette solo il passaggio di frequenze al di sopra o al di sotto di un valore, detto “frequenza di taglio“, oppure comprese tra due frequenze. I filtri si dicono quindi rispettivamente passa-alto, passa-basso e passa-banda.
Altre applicazioni sono la realizzazione di comparatori, per confrontare due segnali e i convertitori analogici-digitali.
I convertitori analogici-digitali sono circuiti elettronici complessi che consentono di trasformare un segnale analogico, continuo nel tempo (una corrente, una tensione, una temperatura, una pressione, ecc.), in uno digitale, ovvero in una sequenza di numeri, in grado di rappresentare in modo fedele il segnale analogico, continuo nel tempo. La conversione analogica-digitale, realizzata da circuiti elettronici, concettualmente è costituita da due passi in sequenza: campionatura e quantizzazione. La campionatura consiste nel considerare i valori del segnale analogico a intervalli di tempo regolare, estraendo un sottoinsieme di valori della grandezza in questione. Tali valori vengono successivamente quantizzati, cioè trasformati in numeri di un intervallo prefissato, ovvero esprimibile da un numero di bit voluto. I valori quantizzati sono poi codificati mediante algoritmi opportuni, allo scopo di rendere la sequenza di numeri più adatta alla memorizzazione compressa o alla trasmissione. La conversione analogica-digitale è alla base dell’affermazione della moderna elettronica digitale e della trasformazione in “digitale” di molti sistemi analogici come nel caso, per esempio, del passaggio dal lettore di cassette musicali al lettore Mp3.
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