Configurazione invertente con OpAMPS
Guida pratica con esempi su TL072 e RC4558
La configurazione invertente è una delle applicazioni fondamentali degli amplificatori operazionali, spesso indicati come op amp o opamps. In un percorso di studio sugli amplificatori operazionali, dopo aver compreso il modello ideale, i terminali di ingresso invertente e non invertente e il concetto di retroazione, la configurazione invertente rappresenta uno dei primi circuiti realmente utili per progettare stadi di amplificazione, attenuazione, somma, conversione corrente-tensione e filtraggio attivo.
Questo articolo è pensato come approfondimento della guida sugli amplificatori operazionali pubblicata su MST Tutorial, dove vengono introdotti i terminali principali dell’op amp, il modello ideale con resistenza di ingresso molto elevata, resistenza di uscita molto bassa e le configurazioni base come invertente, non invertente, inseguitore, sommatore, differenziale, derivatore e integratore.
Struttura della configurazione invertente
Nel circuito invertente il segnale di ingresso viene applicato al terminale invertente dell’op amp tramite una resistenza di ingresso. Il terminale non invertente viene normalmente collegato a massa, oppure a una massa virtuale se il circuito lavora con alimentazione singola. Una seconda resistenza, detta resistenza di retroazione, collega l’uscita dell’op amp al terminale invertente.
La struttura minima è quindi composta da:
- un amplificatore operazionale;
- una resistenza di ingresso, indicata solitamente come R1 o Rin;
- una resistenza di retroazione, indicata come R2 o Rf;
- un riferimento sul terminale non invertente, spesso GND nei circuiti dual supply;
- una sorgente di alimentazione, singola o duale, compatibile con il componente scelto.
La caratteristica fondamentale è che il segnale in uscita risulta invertito di fase rispetto al segnale in ingresso. Se il segnale in ingresso è positivo, l’uscita tende a diventare negativa; se il segnale in ingresso è negativo, l’uscita tende a diventare positiva, entro i limiti consentiti dall’alimentazione e dallo swing di uscita dell’op amp.
Principio di funzionamento
Il funzionamento della configurazione invertente si basa sulla retroazione negativa. L’op amp tende a modificare la propria uscita in modo da mantenere i due ingressi allo stesso potenziale. Se il terminale non invertente è collegato a massa, il terminale invertente si trova idealmente a un potenziale molto vicino a zero volt. Questo nodo viene chiamato massa virtuale.
La massa virtuale non è una vera connessione fisica a GND: è un effetto della retroazione. Il nodo invertente si comporta come se fosse a massa dal punto di vista della tensione, ma non deve essere usato come punto di massa per alimentare altri circuiti.
Equazione ideale del guadagno invertente: Av = Vout / Vin = - Rf / Rin Dove: Av = guadagno in tensione Rf = resistenza di retroazione Rin = resistenza di ingresso Il segno meno indica l'inversione di fase di 180 gradi.
Poiché l’ingresso dell’op amp assorbe idealmente corrente nulla, la corrente che attraversa la resistenza di ingresso deve attraversare anche la resistenza di retroazione. Questo permette di determinare il guadagno usando quasi esclusivamente il rapporto tra le due resistenze.
Perché la configurazione è detta invertente
Il termine “invertente” deriva dal fatto che l’uscita è sfasata di 180 gradi rispetto all’ingresso. In continua, questo significa che una tensione positiva in ingresso genera una tensione negativa in uscita. In alternata, una semionda positiva in ingresso corrisponde a una semionda negativa in uscita.
Questa inversione può essere un vantaggio o uno svantaggio a seconda dell’applicazione. Nei circuiti audio, ad esempio, l’inversione di fase di un singolo stadio non è sempre problematica; diventa però importante quando più segnali devono essere sommati o confrontati tra loro. Nei sistemi di controllo, invece, il segno del guadagno è fondamentale per evitare retroazioni indesiderate.
Differenza tra massa reale e massa virtuale
Uno degli aspetti più importanti da comprendere è la differenza tra massa reale e massa virtuale. La massa reale è un nodo fisico collegato al riferimento del circuito. La massa virtuale, invece, è un nodo che assume un potenziale prossimo a quello della massa grazie all’azione dell’op amp e della retroazione negativa.
Nel circuito invertente ideale il terminale invertente resta vicino al potenziale del terminale non invertente. Tuttavia, nella pratica esistono errori dovuti a tensione di offset, correnti di polarizzazione, limiti di guadagno ad anello aperto, rumore, tolleranza delle resistenze e banda passante limitata.
Scelta delle resistenze Rin e Rf
La scelta delle resistenze non deve basarsi soltanto sul rapporto Rf/Rin. Due coppie di valori possono generare lo stesso guadagno, ma comportarsi in modo diverso rispetto a rumore, offset, corrente assorbita dal segnale sorgente, banda passante e stabilità.
Esempio di guadagno invertente pari a -10: Caso A: Rin = 10 kOhm Rf = 100 kOhm Av = -100 kOhm / 10 kOhm = -10 Caso B: Rin = 1 kOhm Rf = 10 kOhm Av = -10 kOhm / 1 kOhm = -10 Entrambi i casi danno lo stesso guadagno ideale, ma non sono equivalenti: - il Caso A carica meno la sorgente; - il Caso B è meno sensibile al rumore termico delle resistenze; - il Caso B richiede più corrente al segnale di ingresso; - il Caso A può essere più sensibile a correnti di bias e capacità parassite.
In molti circuiti audio o di segnale generale si usano valori compresi indicativamente tra pochi kiloohm e qualche centinaio di kiloohm. Valori troppo bassi aumentano il carico sulla sorgente e il consumo; valori troppo alti aumentano rumore, sensibilità alle correnti di bias e possibili problemi di stabilità.
Impedenza di ingresso
Un aspetto spesso trascurato è che, nella configurazione invertente, l’impedenza di ingresso vista dalla sorgente è circa pari alla resistenza Rin. Questo è diverso dalla configurazione non invertente, dove l’impedenza di ingresso può essere molto elevata perché il segnale entra direttamente nel terminale non invertente dell’op amp.
Per questo motivo la configurazione invertente è molto prevedibile dal punto di vista del guadagno, ma può caricare la sorgente se Rin è troppo bassa. Se la sorgente è ad alta impedenza, può essere preferibile usare un buffer o una configurazione non invertente prima dello stadio invertente.
Campi di utilizzo
La configurazione invertente è molto usata perché è semplice, stabile, calcolabile e facilmente estendibile. Le sue applicazioni più comuni includono amplificatori di segnale, preamplificatori audio, mixer analogici, sommatori, filtri attivi, convertitori corrente-tensione, stadi di condizionamento per sensori e circuiti di elaborazione analogica.
Nei circuiti audio viene usata per regolare il guadagno, invertire la fase, sommare più sorgenti o creare filtri attivi. Nei sistemi di misura può essere impiegata per adattare il livello di un sensore all’ingresso di un convertitore analogico-digitale. Nei circuiti con fotodiodi, una variante della configurazione invertente viene usata come amplificatore transimpedenza, convertendo una corrente in una tensione.
Principali applicazioni pratiche: 1. Amplificatore di tensione invertente Vout = -Vin * Rf / Rin 2. Attenuatore invertente Rf inferiore a Rin Esempio: Rf = 10 kOhm, Rin = 100 kOhm, Av = -0,1 3. Sommatore invertente Più ingressi, ciascuno con la propria resistenza 4. Mixer audio Variante del sommatore invertente 5. Convertitore corrente-tensione Tipico con fotodiodi e sensori di corrente 6. Filtro attivo Inserendo condensatori nella rete di ingresso o feedback 7. Integratore e derivatore Sostituendo resistenze con condensatori in posizioni opportune
Pro rispetto alla configurazione non invertente
Rispetto alla configurazione non invertente, lo stadio invertente offre alcuni vantaggi importanti. Il guadagno è determinato in modo molto diretto dal rapporto tra due resistenze. Inoltre, il nodo invertente a massa virtuale semplifica la somma di più segnali, rendendo questa configurazione ideale per mixer e sommatori analogici.
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- Guadagno semplice da calcolare.
- Facile realizzazione di sommatori analogici.
- Ottima linearità se l’op amp lavora entro i propri limiti.
- Possibilità di ottenere guadagni inferiori, uguali o superiori all’unità.
- Ingresso a nodo virtuale utile nei convertitori corrente-tensione.
- Buona prevedibilità del comportamento in piccoli segnali.
Contro rispetto alla configurazione non invertente
Lo svantaggio principale è l’impedenza di ingresso limitata da Rin. Se la sorgente non è in grado di pilotare correttamente questa resistenza, il segnale può attenuarsi o deformarsi. Inoltre, il segnale viene invertito di fase, caratteristica che può richiedere un secondo stadio invertente se si vuole ripristinare la fase originale.
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- Impedenza di ingresso più bassa rispetto alla configurazione non invertente.
- Inversione di fase di 180 gradi.
- Maggiore attenzione alla scelta di Rin se la sorgente è debole o ad alta impedenza.
- Possibile aumento del rumore con resistenze di valore elevato.
- Serve una massa virtuale corretta nei circuiti ad alimentazione singola.
Confronto con inseguitore di tensione, sommatore e differenziale
L’inseguitore di tensione, o voltage follower, ha guadagno unitario non invertente e impedenza di ingresso molto alta. È ideale come buffer, ma non permette di impostare un guadagno arbitrario tramite il rapporto tra due resistenze.
Il sommatore invertente deriva direttamente dalla configurazione invertente. Aggiungendo più resistenze di ingresso, ognuna collegata a un diverso segnale, le correnti si sommano nel nodo virtuale e l’uscita restituisce la somma pesata dei segnali, ma invertita.
Il differenziale amplifica la differenza tra due segnali ed è utile quando si vogliono eliminare componenti comuni. È però più sensibile alla precisione dei rapporti resistivi e richiede una progettazione più attenta se si desidera un buon CMRR.
Confronto sintetico: Configurazione invertente: - guadagno: Av = -Rf/Rin - fase: invertita - impedenza ingresso: circa Rin - uso tipico: amplificazione, somma, filtri, transimpedenza Configurazione non invertente: - guadagno: Av = 1 + Rf/Rg - fase: non invertita - impedenza ingresso: molto alta - uso tipico: buffer amplificato, interfaccia con sorgenti deboli Inseguitore: - guadagno: Av = 1 - fase: non invertita - impedenza ingresso: molto alta - uso tipico: adattamento di impedenza Sommatore invertente: - guadagno: pesato per ogni ingresso - fase: invertita - uso tipico: mixer, somma analogica, DAC resistivi Differenziale: - guadagno: proporzionale alla differenza tra due ingressi - uso tipico: misura differenziale, eliminazione modo comune
Uso pratico con TL072
Il TL072 è un doppio amplificatore operazionale molto diffuso nei circuiti audio e nei circuiti analogici a basso rumore. È apprezzato per l’ingresso a FET, la bassa corrente di bias e una velocità di risposta adatta a molte applicazioni audio. È indicato quando la sorgente ha impedenza medio-alta o quando si vogliono limitare gli errori prodotti dalle correnti di polarizzazione in ingresso.
Dati indicativi TL072, famiglia TL07xx, secondo documentazione Texas Instruments: Tipo: doppio amplificatore operazionale Numero canali: 2 Tensione totale di alimentazione indicata da TI per TL072: min 7 V, max 30 V GBW tipico: 3 MHz Slew rate tipico: 13 V/us Offset voltage massimo a 25 °C: 6 mV Corrente di quiescenza tipica per canale: 1,4 mA Rumore di tensione tipico a 1 kHz: 37 nV/sqrt(Hz) Corrente di bias ingresso massima: 200 pA CMRR tipico: 100 dB Temperatura operativa versione catalog: -40 °C / 85 °C Nota: Le versioni TL072, TL072A, TL072B, TL072H e varianti di produttori diversi possono avere valori differenti. Controllare sempre il datasheet della sigla esatta acquistata.
Un esempio classico è un piccolo stadio invertente audio con guadagno pari a -2. Questo circuito può essere usato per aumentare moderatamente il livello di un segnale proveniente da una sorgente line-level o da uno stadio precedente, mantenendo una buona impedenza di ingresso.
Esempio pratico con TL072: amplificatore invertente audio Obiettivo: ottenere un guadagno pari a -2 Componenti: Rin = 22 kOhm Rf = 44 kOhm oppure 47 kOhm come valore commerciale Op amp = TL072 Alimentazione consigliata per uso audio classico: duale, ad esempio +/-12 V o +/-15 V Calcolo: Av = -Rf / Rin Con Rf = 44 kOhm: Av = -44 kOhm / 22 kOhm = -2 Con Rf = 47 kOhm: Av = -47 kOhm / 22 kOhm = -2,14 circa Osservazioni: - usare condensatori di disaccoppiamento vicino ai pin di alimentazione; - prevedere una resistenza sul terminale non invertente verso massa; - evitare cavi lunghi sul nodo invertente; - verificare che il segnale di uscita non saturi rispetto alle alimentazioni disponibili.
Uso pratico con RC4558
L’RC4558 è un doppio amplificatore operazionale bipolare largamente impiegato in circuiti audio general-purpose, pedali per chitarra, filtri attivi e stadi di amplificazione a costo contenuto. Rispetto al TL072, ha una corrente di bias molto più elevata, perché l’ingresso è bipolare, ma può offrire buone prestazioni in applicazioni audio dove le impedenze del circuito non sono troppo alte.
Dati indicativi RC4558 secondo documentazione Texas Instruments: Tipo: doppio amplificatore operazionale general-purpose Numero canali: 2 Tensione totale di alimentazione: min 10 V, max 30 V GBW tipico indicato nella tabella prodotto: 3 MHz Slew rate tipico: 1,7 V/us Offset voltage massimo a 25 °C: 6 mV Corrente di quiescenza tipica per canale: 1,25 mA Rumore di tensione tipico a 1 kHz: 8 nV/sqrt(Hz) THD + N tipico a 1 kHz: 0,0005 % Architettura: bipolare CMRR tipico: 90 dB Corrente di bias ingresso massima: 500000 pA Temperatura operativa versione catalog: -40 °C / 85 °C Nota: Il datasheet riporta anche caratteristiche tipiche legate all'impiego audio. In progetto bisogna verificare package, produttore, revisione del datasheet e condizioni di misura.
Un esempio pratico con RC4558 è uno stadio invertente per un effetto audio o un preamplificatore a guadagno moderato, usando valori resistivi non troppo elevati per ridurre l’effetto della corrente di bias.
Esempio pratico con RC4558: stadio invertente per audio general-purpose Obiettivo: guadagno pari a -4,7 circa Componenti: Rin = 10 kOhm Rf = 47 kOhm Op amp = RC4558 Alimentazione tipica: duale, ad esempio +/-9 V, +/-12 V o +/-15 V, se compatibile con il progetto Calcolo: Av = -Rf / Rin Av = -47 kOhm / 10 kOhm Av = -4,7 Osservazioni: - valori di resistenza moderati aiutano a contenere gli errori dovuti alla corrente di bias; - controllare lo slew rate se il segnale di uscita è ampio e ad alta frequenza; - verificare il margine rispetto alla saturazione; - usare disaccoppiamento locale sull'alimentazione; - evitare di collegare direttamente carichi troppo bassi all'uscita.
Progetto con alimentazione duale
L’alimentazione duale è la condizione più semplice per comprendere il circuito invertente. Con alimentazione simmetrica, ad esempio positiva e negativa rispetto a massa, il terminale non invertente può essere collegato direttamente a GND. Il segnale può oscillare sopra e sotto lo zero, e l’uscita può fare lo stesso entro i limiti dell’op amp.
Esempio con alimentazione duale: Alimentazione: +Vcc = +12 V -Vcc = -12 V GND = riferimento centrale Nodo non invertente: collegato a GND Ingresso: segnale centrato a 0 V Uscita: segnale invertito, centrato a 0 V, limitato dallo swing disponibile
Nei circuiti audio analogici tradizionali questa è spesso la soluzione più pulita, perché evita di dover creare un riferimento virtuale a metà alimentazione per trattare segnali alternati.
Progetto con alimentazione singola
Con alimentazione singola, ad esempio tra 0 V e una tensione positiva, il circuito invertente richiede una massa virtuale. In pratica, il terminale non invertente non viene collegato a GND, ma a un riferimento intermedio. Il segnale di ingresso deve essere accoppiato e polarizzato correttamente per oscillare attorno a quel riferimento.
Esempio concettuale con alimentazione singola: Alimentazione: Vcc = 9 V GND = 0 V Riferimento virtuale: Vref = Vcc / 2 = 4,5 V Terminale non invertente: collegato a Vref, non a GND Ingresso: accoppiato tramite condensatore se proviene da una sorgente centrata a 0 V Uscita: centrata a Vref, non a 0 V Nota: Il TL072 e il RC4558 non sono op amp rail-to-rail moderni. Con alimentazione singola bassa bisogna verificare attentamente range di ingresso e swing di uscita.
La difficoltà principale dell’alimentazione singola è evitare che l’ingresso o l’uscita escano dal range ammesso dall’op amp. Molti op amp classici non lavorano bene con segnali molto vicini ai rail di alimentazione, quindi serve margine.
Compensazione delle correnti di bias
Nel circuito reale gli ingressi dell’op amp assorbono piccole correnti. Queste correnti, attraversando le resistenze collegate agli ingressi, generano cadute di tensione che possono tradursi in offset in uscita. Per ridurre l’effetto, spesso si inserisce una resistenza tra il terminale non invertente e massa, o tra il terminale non invertente e la massa virtuale, con valore pari al parallelo tra Rin e Rf.
Resistenza di compensazione sul terminale non invertente: Rb = Rin || Rf Dove: Rb = resistenza tra ingresso non invertente e riferimento Rin = resistenza di ingresso Rf = resistenza di feedback Formula: Rb = (Rin * Rf) / (Rin + Rf) Esempio: Rin = 10 kOhm Rf = 47 kOhm Rb = (10 kOhm * 47 kOhm) / (10 kOhm + 47 kOhm) Rb = 8,25 kOhm circa Valore commerciale possibile: 8,2 kOhm
Questa tecnica è più importante con op amp a ingresso bipolare, come RC4558, rispetto a op amp con ingresso FET come TL072. Tuttavia, anche con op amp FET può essere utile mantenere un buon bilanciamento, soprattutto nei circuiti di precisione.
Risposta in frequenza e prodotto guadagno-banda
Il guadagno ideale calcolato con il rapporto tra resistenze non resta valido a qualunque frequenza. Ogni op amp ha una banda limitata. Il parametro più usato per una prima valutazione è il prodotto guadagno-banda, spesso indicato come GBW.
Stima semplificata della banda chiusa: Banda utile approssimativa = GBW / |Av| Esempio teorico: GBW = 3 MHz |Av| = 10 Banda approssimativa = 3 MHz / 10 = 300 kHz Nota: Questa è una stima di primo ordine. La stabilità reale dipende anche da fase, carico, capacità parassite, layout e configurazione.
Nei circuiti audio, la banda richiesta è relativamente contenuta, ma bisogna comunque considerare il margine per evitare rotazioni di fase, distorsione ad alta frequenza e instabilità. In circuiti di misura o segnali impulsivi, invece, la banda e lo slew rate diventano molto più critici.
Slew rate e distorsione sui segnali grandi
Lo slew rate indica la massima velocità con cui l’uscita dell’op amp può variare. Anche se il guadagno in frequenza sembra sufficiente, un segnale ampio e veloce può richiedere una velocità di variazione superiore a quella disponibile, generando distorsione.
Relazione utile per un segnale sinusoidale: SR richiesto = 2 * pi * f * Vp Dove: SR richiesto = slew rate minimo f = frequenza del segnale Vp = valore di picco della tensione in uscita Esempio: f = 20 kHz Vp = 5 V SR richiesto = 2 * pi * 20000 * 5 SR richiesto = 628318 V/s SR richiesto = 0,628 V/us circa Confronto: un op amp con slew rate di 1,7 V/us può gestire questo caso con margine teorico; un op amp con slew rate di 13 V/us offre margine molto maggiore.
Per segnali audio a livello moderato l’RC4558 può essere sufficiente, ma il TL072 offre più margine dinamico sullo slew rate. Questo può essere utile in stadi con guadagni elevati, segnali ampi o contenuto impulsivo.
Rumore nella configurazione invertente
Il rumore totale di uno stadio invertente dipende dal rumore proprio dell’op amp, dal rumore termico delle resistenze e dal guadagno impostato. Le resistenze di valore elevato generano più rumore termico e rendono il nodo invertente più sensibile a disturbi e capacità parassite.
Nei circuiti audio a basso rumore conviene scegliere resistenze non eccessivamente alte, curare il layout, ridurre la lunghezza delle piste sul nodo invertente, usare alimentazioni pulite e inserire condensatori di bypass vicino ai pin dell’integrato.
Regole pratiche per il rumore: - evitare Rf troppo alta se non necessaria; - evitare Rin troppo alta con sorgenti deboli; - usare resistenze a basso rumore e tolleranza adeguata; - mantenere corto il nodo invertente; - separare masse di potenza e masse di segnale; - filtrare e disaccoppiare correttamente le alimentazioni; - verificare il rumore di tensione e il rumore di corrente dell'op amp.
Stabilità e capacità parassite
Il nodo invertente è un punto sensibile. Capacità parassite dovute a piste lunghe, breadboard, cavi o ingressi di strumenti possono introdurre poli indesiderati e ridurre il margine di fase. Nei circuiti reali, soprattutto con valori resistivi elevati o op amp veloci, può essere utile inserire un piccolo condensatore in parallelo alla resistenza di feedback.
Compensazione semplificata con condensatore Cf: Rf in parallelo a Cf Effetto: - riduce il guadagno alle alte frequenze; - limita il rumore ad alta frequenza; - migliora la stabilità in presenza di capacità parassite; - trasforma lo stadio in un filtro passa-basso invertente. Frequenza di taglio approssimativa: fc = 1 / (2 * pi * Rf * Cf) Esempio: Rf = 100 kOhm Cf = 47 pF fc = 1 / (2 * pi * 100000 * 47e-12) fc = 33,9 kHz circa
L’aggiunta di Cf non deve essere casuale: se il circuito deve lavorare in banda audio, una frequenza di taglio troppo bassa attenuerà le alte frequenze. Se invece il circuito è un preamplificatore o uno stadio di misura, può essere una soluzione utile per ridurre rumore e oscillazioni.
Esempio pratico: sommatore audio invertente con TL072
Una delle applicazioni più interessanti della configurazione invertente è il sommatore. Ogni ingresso viene collegato al nodo invertente tramite una propria resistenza. Il contributo di ogni canale dipende dal rapporto tra la resistenza di feedback e la resistenza di ingresso del rispettivo canale.
Sommatore audio a 3 ingressi con TL072: Obiettivo: miscelare tre segnali audio con stesso peso Componenti: R1 = 22 kOhm per ingresso 1 R2 = 22 kOhm per ingresso 2 R3 = 22 kOhm per ingresso 3 Rf = 22 kOhm Op amp = TL072 Formula: Vout = -Rf * (Vin1/R1 + Vin2/R2 + Vin3/R3) Con R1 = R2 = R3 = Rf: Vout = -(Vin1 + Vin2 + Vin3) Nota pratica: se i tre segnali possono sommarsi a livelli elevati, l'uscita può saturare. In un mixer reale è spesso necessario attenuare ogni ingresso o ridurre Rf.
Esempio pratico: attenuatore invertente con RC4558
Non sempre la configurazione invertente serve ad amplificare. Se Rf è inferiore a Rin, il circuito attenua il segnale e lo inverte. Questa soluzione è utile quando si vuole ridurre un segnale troppo ampio mantenendo un’impedenza definita.
Attenuatore invertente con RC4558: Obiettivo: ridurre il segnale a circa un quinto Componenti: Rin = 47 kOhm Rf = 10 kOhm Op amp = RC4558 Calcolo: Av = -Rf / Rin Av = -10 kOhm / 47 kOhm Av = -0,213 circa Uso possibile: adattamento di livello tra uno stadio audio con uscita elevata e uno stadio successivo più sensibile.
Esempio pratico: filtro passa-basso invertente
Aggiungendo un condensatore in parallelo a Rf si ottiene un filtro passa-basso invertente. Alle basse frequenze il condensatore ha impedenza elevata e il circuito si comporta come un normale amplificatore invertente. Alle alte frequenze il condensatore riduce l’impedenza del ramo di feedback e quindi riduce il guadagno.
Filtro passa-basso invertente: Componenti: Rin = 10 kOhm Rf = 100 kOhm Cf = 1 nF Guadagno a bassa frequenza: Av = -Rf / Rin Av = -100 kOhm / 10 kOhm Av = -10 Frequenza di taglio: fc = 1 / (2 * pi * Rf * Cf) fc = 1 / (2 * pi * 100000 * 1e-9) fc = 1,59 kHz circa Applicazioni: - limitazione banda; - riduzione rumore ad alta frequenza; - filtri audio; - condizionamento segnali lenti.
Parametri principali da monitorare in un datasheet
Quando si sceglie un operazionale per una configurazione non invertente, non basta guardare il guadagno teorico. Il circuito reale dipende da molti parametri elettrici. I più importanti sono i seguenti.
Tensione di alimentazione – Verificare la tensione minima e massima di alimentazione. Alcuni op amp lavorano bene a 5 V, altri richiedono tensioni maggiori. TL072 e RC4558 sono più adatti a tensioni duali o singole relativamente alte rispetto a molti op amp moderni low-voltage.
Input common-mode voltage range – È l’intervallo di tensione ammesso sugli ingressi. Nella configurazione non invertente è fondamentale, perché il segnale entra direttamente sul terminale +. Se il segnale esce dal common-mode range, l’uscita può saturare, distorcere o assumere comportamenti non lineari.
Output voltage swing – Indica quanto l’uscita può avvicinarsi ai rail di alimentazione. Un op amp non rail-to-rail alimentato a ±15 V potrebbe arrivare, ad esempio, solo a circa ±12 V o ±13 V a seconda del carico. Con alimentazioni basse questo limite diventa molto importante.
Gain bandwidth product – Il prodotto guadagno-banda stabilisce la banda disponibile a un certo guadagno. In modo approssimato:
Banda utile ≈ GBW / Av Esempio: GBW = 3 MHz Av = 10 Banda teorica ≈ 3 MHz / 10 = 300 kHz Nota: la banda teorica non garantisce automaticamente bassa distorsione o margine di fase adeguato.
Slew rate – Lo slew rate indica quanto rapidamente può variare la tensione di uscita. È fondamentale per segnali audio ad ampiezza elevata, forme d’onda impulsive, filtri attivi e segnali ad alta frequenza.
Formula per sinusoide: SR_min = 2 × π × f × Vp Se lo slew rate richiesto supera quello disponibile, l'uscita non riesce a seguire il segnale e compare distorsione da slew rate.
Input offset voltage – È una piccola tensione differenziale equivalente tra gli ingressi. In configurazione non invertente viene amplificata dal noise gain, che coincide con il guadagno non invertente. È importante nei circuiti DC e nei sensori di precisione.
Input bias current – È la corrente richiesta dagli ingressi. In un op amp JFET come TL072 è molto bassa; in un op amp bipolare come RC4558 è più alta. Le correnti di bias, attraversando le resistenze esterne, generano errori di tensione.
Rumore di tensione e rumore di corrente – In audio, misura e sensori, il rumore è un parametro critico. Il rumore totale dipende dall’op amp, dalle resistenze, dalla banda del circuito e dall’impedenza della sorgente.
CMRR e PSRR – Il CMRR indica la capacità di rigettare segnali comuni agli ingressi; il PSRR indica quanto le variazioni di alimentazione influenzano l’uscita. Valori alti sono preferibili, soprattutto in ambienti rumorosi o con alimentazioni non perfettamente stabilizzate.
Corrente di uscita e carico pilotabile – Verificare la corrente massima di uscita e il carico minimo raccomandato. Un op amp non è sempre in grado di pilotare cuffie, altoparlanti, cavi lunghi o carichi capacitivi senza buffer aggiuntivi.
Stabilità a guadagno unitario – Se si vuole usare l’op amp come buffer, il datasheet deve indicare stabilità a guadagno unitario o condizioni equivalenti. In caso contrario, il circuito può oscillare.
Package, pinout e dissipazione – TL072 e RC4558 sono spesso disponibili in package doppi a 8 pin, ma bisogna controllare il pinout specifico, la variante, la temperatura operativa, la dissipazione e la disponibilità del componente.
Concludendo possiamo quindi affermare che la configurazione invertente è uno degli strumenti più versatili nella progettazione analogica con amplificatori operazionali. La sua forza sta nella semplicità: il guadagno dipende dal rapporto tra due resistenze, il nodo invertente permette di sommare correnti e la struttura può essere modificata per ottenere filtri, sommatori, integratori, derivatori e convertitori corrente-tensione.
Rispetto alla configurazione non invertente, offre grande flessibilità ma richiede maggiore attenzione all’impedenza di ingresso e all’inversione di fase. Con op amp come TL072 e RC4558 è possibile realizzare molti circuiti audio e di condizionamento segnale, purché si rispettino i limiti di alimentazione, banda, slew rate, offset, corrente di bias e swing di uscita.
In fase di progetto, la formula Av = -Rf/Rin è solo il punto di partenza. Il comportamento reale dipende dal datasheet, dal layout, dal carico, dalla sorgente, dal tipo di alimentazione e dalla banda richiesta. Per questo motivo, ogni progetto dovrebbe essere verificato con calcoli preliminari, simulazione se necessaria e misura pratica su circuito reale.
