(la videolezione) L’amplificatore operazionale, spesso abbreviato in "op-amp", è uno dei componenti più versatili e fondamentali nell’elettronica analogica. Nato originariamente per eseguire operazioni matematiche nei calcolatori analogici, si è rapidamente evoluto in un dispositivo chiave utilizzato in una vasta gamma di applicazioni, dalla strumentazione alla conversione dei segnali. Ugualmente importante è che, nonostante la complessità circuitale (vedi figura in basso), l’amplificatore operazionale ha caratteristiche che si avvicinano molto a quelle ideali. Ciò rende il progetto di un circuito elettronico più semplice e più aderente al funzionamento dei prototipi realizzati.
I primi amplificatori operazionali venivano costruiti con elementi discreti (tubi a vuoto e poi transistor e resistori) e il loro costo era proibitivo. Essi erano applicati esclusivamente nel campo del calcolo analogico e della strumentazione. Alla metà degli anni ’60 fu prodotto il primo amplificatore operazionale integrato (il µA 709) e la sua apparizione segnò una nuova era nel progetto dei circuiti elettronici.
Oggi le applicazioni tipiche dell'op-amp possono essere riassunte come nel seguito.
Amplificazione del segnale
La sua funzione più intuitiva è quella di amplificare un segnale debole, ad esempio proveniente da un sensore. L’op-amp può essere configurato in modalità invertente o non invertente per ottenere un’amplificazione controllata. Questo è essenziale nei dispositivi audio, nei sensori medici e nei sistemi di rilevamento ambientale, dove il segnale analogico deve essere aumentato prima di essere elaborato.
Comparatori di tensione
Anche se i comparatori dedicati sono più comuni, gli op-amp possono essere impiegati per confrontare due tensioni e generare un’uscita digitale. Quando usato ad anello aperto (senza retroazione), l’amplificatore operazionale cambia rapidamente stato in base alle tensioni in ingresso, agendo come un comparatore di soglia.
Filtri attivi
Gli op-amp sono cruciali nella realizzazione di filtri attivi, che modificano la risposta in frequenza di un segnale. A differenza dei filtri passivi, questi circuiti permettono di ottenere prestazioni migliori e più flessibilità. Vengono utilizzati per realizzare filtri passa-basso, passa-alto, passa-banda e notch in sistemi audio, comunicazioni e strumentazione industriale.
Oscillatori
Un'altra importante applicazione è nella generazione di segnali. L’op-amp può essere utilizzato per costruire oscillatori sinusoidali o a onda quadra, fondamentali nei circuiti di clock e nei generatori di segnali. Configurazioni come il circuito di Wien-bridge permettono di generare onde sinusoidali stabili, mentre combinazioni con retroazione positiva possono produrre segnali digitali periodici.
Sommatore e sottrattore
Grazie alla sua capacità di combinare segnali, l’amplificatore operazionale può essere configurato come sommatore o sottrattore. Questa proprietà è utile nei sistemi di acquisizione dati, dove più segnali devono essere aggregati o confrontati. Ad esempio, in un mixer audio, diversi segnali vengono sommati per ottenere un’unica traccia.
Integratori e derivatori
In applicazioni più avanzate, l’op-amp può eseguire operazioni matematiche come l’integrazione e la derivazione di un segnale. Queste configurazioni sono particolarmente importanti nella simulazione di sistemi fisici e nei controlli automatici, come nei regolatori PID, dove è necessario reagire in base al comportamento passato e futuro del sistema.
Condizionamento del segnale
Molti segnali analogici provenienti da sensori richiedono un trattamento prima di essere digitalizzati. Gli op-amp vengono utilizzati per adattare la scala, rimuovere rumori, compensare offset e linearizzare curve non lineari. Questo processo è cruciale nell’interfaccia tra mondo analogico e digitale.
Rilevamento e protezione
In sistemi di protezione elettrica, gli op-amp vengono impiegati per monitorare tensioni e correnti e attivare meccanismi di allarme o disconnessione in caso di valori anomali. Il loro tempo di risposta veloce li rende adatti a rilevare sovratensioni, cortocircuiti e altri eventi critici.
