Finora abbiamo usato solo uno degli ingressi degli amplificatori operazionali per collegarci all’amplificatore, usando o il terminale d’ingresso “invertente” o quello “non invertente” per amplificare un singolo segnale d’ingresso con l’altro ingresso collegato a terra.
Ma siccome un amplificatore operazionale standard ha due ingressi, invertente e non invertente, possiamo anche collegare segnali a entrambi questi ingressi allo stesso tempo producendo un altro tipo comune di circuito di amplificatore operazionale chiamato amplificatore differenziale.
In pratica, come abbiamo visto nel primo tutorial sugli amplificatori operazionali, tutti gli amplificatori operazionali sono “amplificatori differenziali” a causa della loro configurazione di ingresso. Ma collegando un segnale di tensione su un terminale d’ingresso e un altro segnale di tensione sull’altro terminale d’ingresso, la tensione d’uscita risultante sarà proporzionale alla “differenza” tra i due segnali di tensione d’ingresso V1 e V2.
Quindi gli amplificatori differenziali amplificano la differenza tra due tensioni rendendo questo tipo di circuito amplificatore operativo un sottrattore a differenza di un amplificatore sommatore che aggiunge o somma le tensioni d’ingresso. Questo tipo di circuito di amplificatore operazionale è comunemente noto come configurazione di amplificatore differenziale ed è mostrato di seguito:
Amplificatore differenziale
Collegando ogni ingresso a turno alla massa 0v possiamo usare la sovrapposizione per risolvere la tensione di uscita Vout. Quindi la funzione di trasferimento per un circuito amplificatore differenziale è data come:
Quando le resistenze, R1 = R2 e R3 = R4 la suddetta funzione di trasferimento dell’amplificatore differenziale può essere semplificata alla seguente espressione:
Equazione dell’amplificatore differenziale
Se tutte le resistenze hanno lo stesso valore ohmico, cioè: R1 = R2 = R3 = R4 allora il circuito diventerà un amplificatore differenziale a guadagno unitario e il guadagno di tensione dell’amplificatore sarà esattamente uno o l’unità. Allora l’espressione di uscita sarebbe semplicemente Vout = V2 – V1.
Nota anche che se l’ingresso V1 è superiore all’ingresso V2 la somma della tensione di uscita sarà negativa, e se V2 è superiore a V1, la somma della tensione di uscita sarà positiva.
Il circuito dell’amplificatore differenziale è un circuito op-amp molto utile e aggiungendo più resistenze in parallelo alle resistenze di ingresso R1 e R3, il circuito risultante può essere fatto per “Aggiungere” o “Sottrarre” le tensioni applicate ai loro rispettivi ingressi. Uno dei modi più comuni per fare questo è quello di collegare un “ponte resistivo” comunemente chiamato ponte di Wheatstone all’ingresso dell’amplificatore come mostrato di seguito.
Amplificatore differenziale a ponte di Wheatstone
Il circuito standard dell’amplificatore differenziale diventa ora un comparatore di tensione differenziale “confrontando” una tensione in ingresso con l’altra. Per esempio, collegando un ingresso a un riferimento di tensione fisso impostato su una gamba della rete a ponte resistivo e l’altro a un “termistore” o a un “resistore dipendente dalla luce”, il circuito amplificatore può essere utilizzato per rilevare livelli bassi o alti di temperatura o di luce, poiché la tensione di uscita diventa una funzione lineare dei cambiamenti nella gamba attiva del ponte resistivo, come dimostrato di seguito.
Amplificatore differenziale attivato dalla luce
Qui il circuito di cui sopra agisce come un interruttore attivato dalla luceche attiva il relè di uscita “ON” o “OFF” quando il livello di luce rilevato dal resistore LDR supera o scende al di sotto di un valore preimpostato. Un riferimento di tensione fisso è applicato al terminale d’ingresso non invertente dell’op-amp attraverso la rete divisore di tensione R1 – R2.
Il valore di tensione a V1 imposta il punto di scatto dell’op-amps con un potenziometro di ritorno, VR2 utilizzato per impostare l’isteresi di commutazione. Questa è la differenza tra il livello di luce per “ON” e il livello di luce per “OFF”.
La seconda gamba dell’amplificatore differenziale consiste in una resistenza standard dipendente dalla luce, nota anche come LDR, sensore fotoresistivo che cambia il suo valore resistivo (da qui il suo nome) con la quantità di luce sulla sua cella come il loro valore resistivo è una funzione di illuminazione.
Il LDR può essere qualsiasi tipo standard di cella fotoconduttiva al solfuro di cadmio (cdS) come il comune NORP12 che ha una gamma resistiva compresa tra circa 500Ω alla luce del sole a circa 20kΩ o più al buio.
La cella fotoconduttiva NORP12 ha una risposta spettrale simile a quella dell’occhio umano che la rende ideale per l’uso in applicazioni di controllo dell’illuminazione. La resistenza della fotocellula è proporzionale al livello di luce e cade con l’aumentare dell’intensità della luce, quindi il livello di tensione a V2 cambierà anche sopra o sotto il punto di commutazione che può essere determinato dalla posizione di VR1.
Poi regolando l’intervento del livello di luce o la posizione impostata usando il potenziometro VR1 e l’isteresi di commutazione usando il potenziometro VR2, si può fare un interruttore di precisione sensibile alla luce. A seconda dell’applicazione, l’uscita dall’op-amp può commutare direttamente il carico, o usare un interruttore a transistor per controllare un relè o le lampade stesse.
È anche possibile rilevare la temperatura usando questo tipo di configurazione di circuito semplice sostituendo il resistore dipendente dalla luce con un termistore. Cambiando le posizioni di VR1 e del LDR, il circuito può essere usato per rilevare la luce o il buio, o il caldo o il freddo usando un termistore.
Una delle principali limitazioni di questo tipo di design dell’amplificatore è che le sue impedenze d’ingresso sono più basse rispetto a quelle di altre configurazioni di amplificatori operazionali, per esempio, un amplificatore non invertente (ingresso single-ended).
Ogni sorgente di tensione di ingresso deve guidare la corrente attraverso una resistenza di ingresso, che ha meno impedenza complessiva di quella del solo ingresso degli amplificatori operazionali. Questo può essere un bene per una sorgente a bassa impedenza come il circuito a ponte di cui sopra, ma non così bene per una sorgente ad alta impedenza.
Un modo per superare questo problema è quello di aggiungere un amplificatore buffer a guadagno unitario come il voltage follower visto nel tutorial precedente ad ogni resistenza di ingresso. Questo ci dà un circuito amplificatore differenziale con un’impedenza d’ingresso molto alta e una bassa impedenza d’uscita, poiché consiste di due buffer non invertenti e un amplificatore differenziale. Questo costituisce la base per la maggior parte degli “amplificatori per strumentazione”.
Amplificatore per strumentazione
Gli amplificatori per strumentazione (in-amps) sono amplificatori differenziali ad alto guadagno che hanno un’alta impedenza di ingresso e un’uscita single ended. Gli amplificatori per strumentazione sono usati principalmente per amplificare segnali differenziali molto piccoli da estensimetri, termocoppie o dispositivi di rilevamento della corrente nei sistemi di controllo dei motori.
A differenza degli amplificatori operazionali standard in cui il loro guadagno ad anello chiuso è determinato da un feedback resistivo esterno collegato tra il loro terminale di uscita e un terminale di ingresso, positivo o negativo, gli “amplificatori per strumentazione” hanno un resistore di feedback interno che è effettivamente isolato dai suoi terminali di ingresso mentre il segnale di ingresso è applicato attraverso due ingressi differenziali, V1 e V2.
L’amplificatore di strumentazione ha anche un ottimo rapporto di reiezione di modo comune, CMRR (uscita zero quando V1 = V2) ben superiore a 100dB in DC. Un tipico esempio di un amplificatore di strumentazione a tre op-amp con un’alta impedenza d’ingresso ( Zin ) è dato qui sotto:
Amplificatore per strumentazione ad alta impedenza d’ingresso
I due amplificatori noninvertenti formano uno stadio di ingresso differenziale che agisce come amplificatori buffer con un guadagno di 1 + 2R2/R1 per i segnali di ingresso differenziali e guadagno unitario per i segnali di ingresso in modalità comune. Poiché gli amplificatori A1 e A2 sono amplificatori a retroazione negativa ad anello chiuso, possiamo aspettarci che la tensione a Va sia uguale alla tensione d’ingresso V1. Allo stesso modo, la tensione a Vb deve essere uguale al valore a V2.
Come gli op-amp non prendono corrente ai loro terminali d’ingresso (terra virtuale), la stessa corrente deve scorrere attraverso la rete di tre resistenze R2, R1 e R2 collegata attraverso le uscite degli op-amp. Questo significa quindi che la tensione all’estremità superiore di R1 sarà uguale a V1 e la tensione all’estremità inferiore di R1 sarà uguale a V2.
Questo produce una caduta di tensione attraverso il resistore R1 che è uguale alla differenza di tensione tra gli ingressi V1 e V2, la tensione differenziale di ingresso, perché la tensione alla giunzione sommatoria di ogni amplificatore, Va e Vb è uguale alla tensione applicata ai suoi ingressi positivi.
Tuttavia, se una tensione di modo comune è applicata agli ingressi degli amplificatori, le tensioni su ciascun lato di R1 saranno uguali, e nessuna corrente scorrerà attraverso questo resistore. Poiché nessuna corrente passa attraverso R1 (né, quindi, attraverso entrambi i resistori R2), gli amplificatori A1 e A2 funzioneranno come inseguitori a guadagno unitario (buffer). Poiché la tensione di ingresso alle uscite degli amplificatori A1 e A2 appare in modo differenziale attraverso la rete di tre resistenze, il guadagno differenziale del circuito può essere variato semplicemente cambiando il valore di R1.
La tensione in uscita dall’operazionale differenziale A3 che agisce come un sottrattore, è semplicemente la differenza tra i suoi due ingressi (V2 – V1) e che è amplificata dal guadagno di A3 che può essere uno, l’unità, (assumendo che R3 = R4). Quindi abbiamo un’espressione generale per il guadagno di tensione complessivo del circuito amplificatore di strumentazione come:
Equazione dell’amplificatore strumentale
Nel prossimo tutorial sugli amplificatori operativi, esamineremo l’effetto della tensione di uscita, Vout quando il resistore di retroazione è sostituito da una reattanza dipendente dalla frequenza sotto forma di una capacità. L’aggiunta di questa capacità di retroazione produce un circuito amplificatore operativo non lineare chiamato amplificatore integratore.
