Configurazione non invertente con OpAMPS

Questo articolo approfondisce la configurazione non invertente degli amplificatori operazionali, come naturale prosecuzione della guida introduttiva sugli op amp. Nella configurazione non invertente il segnale viene applicato al terminale +, mentre il terminale − riceve una frazione della tensione di uscita tramite una rete di retroazione resistiva. Il risultato è un amplificatore con guadagno positivo, elevata impedenza di ingresso e fase di uscita uguale a quella del segnale applicato.

Richiamo: terminali dell’op amp e idea di retroazione

Un amplificatore operazionale ideale viene spesso descritto assumendo resistenza di ingresso infinita, resistenza di uscita nulla, guadagno ad anello aperto infinito e correnti di ingresso nulle. Nella pratica questi parametri non sono mai ideali, ma il modello è utile per capire il comportamento dei circuiti con retroazione negativa.

I terminali principali sono:

• Ingresso non invertente (+): il segnale applicato qui viene trasferito in uscita senza inversione di fase.
• Ingresso invertente (−): usato spesso come nodo di retroazione.
• Uscita: terminale da cui si preleva il segnale amplificato.
• Alimentazioni: generalmente indicate come V_CC+ e V_CC−, oppure V₊ e V₋.

Nel funzionamento lineare con retroazione negativa, l’op amp tende a portare la differenza tra i due ingressi verso un valore molto piccolo. Da qui nasce la cosiddetta approssimazione del corto virtuale: V₊ ≈ V₋, pur senza una connessione elettrica diretta tra i due ingressi.

Struttura della configurazione non invertente

La configurazione non invertente è composta da:

• • un amplificatore operazionale;
  • una resistenza R₁ tra ingresso invertente e massa o riferimento;
  • una resistenza R₂ tra uscita e ingresso invertente;
  • il segnale V_in applicato direttamente all’ingresso non invertente;
  • eventuali condensatori di disaccoppiamento, filtro o compensazione, in funzione dell’applicazione.

Dove:
R1 = resistenza tra ingresso invertente e riferimento
R2 = resistenza di retroazione tra uscita e ingresso invertente
Vin = segnale applicato all'ingresso non invertente
Vout = uscita amplificata

Il guadagno ideale in tensione della configurazione non invertente è:

La formula mostra una caratteristica importante: il guadagno minimo teorico della configurazione non invertente è 1. Quando R₂ = 0 e R₁ è assente o equivalente a circuito aperto rispetto alla retroazione, il circuito diventa un voltage follower, cioè un buffer a guadagno unitario.

Perché il guadagno non può essere minore di 1?

Nella configurazione non invertente classica, una frazione della tensione di uscita viene riportata all’ingresso invertente. Poiché il circuito cerca di rendere V₋ uguale a V₊, l’uscita deve assumere un valore uguale o maggiore del segnale di ingresso, a seconda del rapporto resistivo.

Se serve un guadagno inferiore a 1, non si usa normalmente un non invertente puro: si può ricorrere a un partitore resistivo prima del buffer, a una configurazione invertente attenuatrice, oppure a uno stadio attivo progettato appositamente per attenuare e adattare l’impedenza.

Esempi di guadagno

Esempio 1: guadagno Av = 2

Scelta:
R1 = 10 kΩ
R2 = 10 kΩ

Av = 1 + (R2 / R1)
Av = 1 + (10 kΩ / 10 kΩ)
Av = 2

Se Vin = 0,5 V:
Vout = 0,5 V × 2 = 1 V

Esempio 2: guadagno Av = 11

Scelta:
R1 = 10 kΩ
R2 = 100 kΩ

Av = 1 + (100 kΩ / 10 kΩ)
Av = 11

Se Vin = 100 mV:
Vout = 100 mV × 11 = 1,1 V  

Esempio 3: buffer a guadagno unitario

Scelta:
uscita collegata direttamente all'ingresso invertente
Vin applicato all'ingresso non invertente

Av = 1

Funzione:
non amplifica la tensione, ma aumenta la capacità di pilotaggio del segnale
e presenta un'elevata impedenza di ingresso verso la sorgente.

Campi di utilizzo

Adattamento di impedenza
Uno degli utilizzi principali della configurazione non invertente è l’adattamento di impedenza. Una sorgente debole, come un sensore, un pickup, un partitore ad alta resistenza o un filtro RC, può non essere in grado di pilotare direttamente un carico. Un buffer non invertente permette di prelevare il segnale senza caricare eccessivamente la sorgente.

Amplificazione di segnali audio
In ambito audio, la configurazione non invertente è molto usata perché mantiene la fase del segnale e consente di ottenere guadagni precisi con due sole resistenze. TL072 e RC4558 sono entrambi doppi operazionali diffusi in circuiti audio, preamplificatori, filtri attivi, mixer, effetti per chitarra e stadi di condizionamento.

Condizionamento di segnali da sensori
Molti sensori generano segnali piccoli o provenienti da sorgenti ad alta impedenza. La configurazione non invertente è adatta quando si vuole amplificare il segnale senza invertirne la polarità. In presenza di sensori molto ad alta impedenza, un ingresso JFET come quello del TL072 può essere preferibile rispetto a un ingresso bipolare come quello del RC4558, perché richiede correnti di bias molto inferiori.

Filtri attivi
La configurazione non invertente è usata anche in filtri attivi passa-basso, passa-alto, passa-banda e notch. In molte topologie, l’op amp fornisce guadagno, isolamento tra stadi e riduzione dell’effetto del carico sulla rete RC.

Buffer per riferimenti di tensione
Nei circuiti alimentati a singola alimentazione è frequente creare una tensione di riferimento, ad esempio V_ref = V_cc/2, da usare come massa virtuale. Un op amp in configurazione non invertente a guadagno unitario può bufferizzare questo riferimento, purché sia scelto un dispositivo compatibile con l’intervallo di tensione e corrente richiesto.

Vantaggi della configurazione non invertente

• • Alta impedenza di ingresso: il segnale entra direttamente nel terminale non invertente, quindi la sorgente viene caricata poco. Questo è uno dei vantaggi più importanti rispetto alla configurazione invertente, dove l’impedenza di ingresso è legata alla resistenza di ingresso.
  • Nessuna inversione di fase: l’uscita è in fase con l’ingresso. Questo semplifica l’uso in catene audio, acquisizione dati e condizionamento di sensori.
  • Formula di guadagno semplice: il guadagno dipende dal rapporto R₂/R₁.
  • Possibilità di buffer: con guadagno unitario diventa un adattatore di impedenza molto utile.
  • Buona precisione del guadagno: in molti casi il guadagno reale dipende più dalla tolleranza delle resistenze che dal guadagno ad anello aperto dell’op amp, purché l’op amp lavori entro i suoi limiti.

Svantaggi e limiti

• • Guadagno minimo pari a 1: non è la scelta ideale se si vuole attenuare direttamente il segnale.
  • Dipendenza dal common-mode input range: il segnale applicato all’ingresso non invertente deve rientrare nell’intervallo di modo comune ammesso dal dispositivo.
  • Non tutti gli op amp sono stabili a guadagno unitario: molti operazionali general-purpose lo sono, ma il datasheet va sempre controllato.
  • Limitazioni di uscita: TL072 e RC4558 non sono rail-to-rail. L’uscita non può raggiungere esattamente le alimentazioni, quindi bisogna lasciare margine di tensione.
  • Possibili oscillazioni: layout scadente, carichi capacitivi, assenza di condensatori di bypass o resistenze molto elevate possono introdurre instabilità.

Confronto con altre configurazioni

Rispetto alla configurazione invertente, il non invertente è preferibile quando la sorgente non deve essere caricata e quando si vuole mantenere la fase. La configurazione invertente, invece, è spesso più comoda per sommare più segnali, realizzare mixer analogici, implementare filtri attivi con nodo virtuale o ottenere guadagni inferiori a 1.

Esempio pratico con TL072: preamplificatore audio non invertente

Il TL072 è un doppio amplificatore operazionale con ingresso JFET, molto usato in applicazioni audio e in circuiti dove è utile una corrente di bias di ingresso molto bassa. È adatto, ad esempio, a un preamplificatore per segnali audio a livello linea o a uno stadio di ingresso per strumenti musicali, purché alimentazione, dinamica e rumore siano progettati correttamente.

Dati indicativi TL072 / famiglia TL07x - verificare sempre codice esatto e revisione datasheet:

Produttore: Texas Instruments
Tipo: doppio amplificatore operazionale
Ingresso: JFET / FET-input
Alimentazione totale tipica supportata: fino a circa 30 V per TL072 classico
Gain bandwidth product: circa 3 MHz per TL072 classico
Slew rate tipico: circa 13 V/µs per TL072 classico
Versione TL072H / TL07xH: slew rate tipico indicato fino a 20 V/µs
Rumore di tensione: famiglia indicata come low-noise; valori tipici dipendono da versione e frequenza
Uscita: non rail-to-rail
Applicazioni tipiche: audio, filtri attivi, buffer, condizionamento segnali

Specifica di progetto

Obiettivo:
amplificare un segnale audio da 200 mV RMS fino a circa 1 V RMS.

Guadagno richiesto:
Av = 1 V / 0,2 V = 5

Formula:
Av = 1 + (R2 / R1)

Scelta componenti:
R1 = 10 kΩ
R2 = 39 kΩ

Guadagno reale:
Av = 1 + (39 kΩ / 10 kΩ)
Av = 4,9

Uscita prevista:
Vout = 0,2 V RMS × 4,9 = 0,98 V RMS

Schema applicativo semplificato

Alimentazione consigliata per test audio:
±12 V oppure ±15 V

Collegamenti:
Vin audio -> condensatore di accoppiamento -> ingresso non invertente TL072
R2 = 39 kΩ tra uscita e ingresso invertente
R1 = 10 kΩ tra ingresso invertente e massa
Condensatori di bypass:
100 nF vicino ai pin di alimentazione
+ eventuali 10 µF / 47 µF per ramo di alimentazione

Note progettuali

• Usare resistenze metal film all’1% per ridurre errore di guadagno e rumore.
• Tenere R₁ e R₂ in un intervallo ragionevole: valori troppo bassi caricano l’uscita, valori troppo alti aumentano rumore e sensibilità alle correnti di bias.
• Con TL072 è spesso ragionevole usare reti tra circa 4,7 kΩ e 100 kΩ, a seconda del compromesso rumore/consumo/carico.
• Non usare TL072 aspettandosi comportamento rail-to-rail: con alimentazione singola a 5 V non è generalmente la scelta più comoda.
• Per audio a singola alimentazione, creare una massa virtuale V_ref e polarizzare gli ingressi attorno a V_ref.

Esempio pratico con RC4558: amplificatore non invertente per segnale audio

L’RC4558 è un doppio operazionale bipolare general-purpose, molto noto in ambito audio analogico. È stato usato in numerosi circuiti di preamplificazione, filtri attivi ed effetti per chitarra. Rispetto al TL072 ha ingresso bipolare, quindi correnti di bias più alte, ma può risultare adatto in circuiti a bassa/media impedenza.

Dati indicativi RC4558 - verificare sempre codice esatto e revisione datasheet:

Produttore: Texas Instruments
Tipo: doppio amplificatore operazionale general-purpose
Architettura: bipolare
Alimentazione totale: tipicamente 10 V - 30 V
Gain bandwidth product: circa 3 MHz nella pagina prodotto, 4 MHz in datasheet Rev. H
Slew rate tipico: circa 1,7 V/µs nella pagina prodotto, 2,2 V/µs in datasheet Rev. H
Rumore di tensione: circa 8 nV/√Hz a 1 kHz nella pagina prodotto; datasheet indica valori dipendenti da frequenza e condizioni
Input bias current: molto superiore rispetto a un ingresso JFET; ordine delle decine/centinaia di nA
Uscita: non rail-to-rail
Applicazioni tipiche: audio, filtri attivi, buffer, stadi general-purpose

Specifica di progetto

Obiettivo:
amplificare un segnale di 100 mV RMS fino a circa 1 V RMS.

Guadagno richiesto:
Av = 1 V / 0,1 V = 10

Formula:
Av = 1 + (R2 / R1)

Scelta componenti:
R1 = 10 kΩ
R2 = 91 kΩ

Guadagno reale:
Av = 1 + (91 kΩ / 10 kΩ)
Av = 10,1

Uscita prevista:
Vout = 0,1 V RMS × 10,1 = 1,01 V RMS

Verifica rapida dello slew rate

Per un segnale sinusoidale, lo slew rate minimo richiesto può essere stimato con:

SR_min = 2 × π × f × Vp

Dove:
f  = frequenza massima del segnale
Vp = valore di picco dell'uscita

Esempio:
Vout = 1 V RMS
Vp = 1 V RMS × 1,414 = 1,414 V
f = 20 kHz

SR_min = 2 × π × 20000 × 1,414
SR_min ≈ 177715 V/s
SR_min ≈ 0,178 V/µs

Conclusione:
un RC4558 con slew rate tipico nell'ordine di 1,7 - 2,2 V/µs è sufficiente per questo esempio.
Se però l'uscita richiesta salisse molto, ad esempio 10 Vp a 20 kHz:

SR_min = 2 × π × 20000 × 10
SR_min ≈ 1,26 V/µs

Il margine diventerebbe più ridotto, specialmente considerando tolleranze, carico, temperatura e distorsione.

Note progettuali

• Preferire impedenze di rete non troppo alte, perché le correnti di bias dell’RC4558 possono generare offset apprezzabili.
• Per circuiti audio, valori come R₁ = 10 kΩ e R₂ tra 10 kΩ e 100 kΩ sono spesso un buon punto di partenza.
• Usare condensatori di disaccoppiamento da 100 nF vicini ai pin di alimentazione.
• Verificare sempre il margine di uscita rispetto alle alimentazioni: l’RC4558 non arriva ai rail.
• In applicazioni ad alta impedenza di sorgente, valutare TL072 o un op amp CMOS/JFET moderno.

Alimentazione singola e massa virtuale

Molti schemi didattici usano alimentazione duale, ad esempio ±12 V o ±15 V. In questo caso il segnale può oscillare attorno a 0 V. Se invece si usa una singola alimentazione, ad esempio 9 V, 12 V o 15 V, bisogna creare un riferimento intermedio.

Esempio con alimentazione singola a 9 V:

Vcc = 9 V
Vref = Vcc / 2 = 4,5 V

Il segnale audio viene accoppiato tramite condensatore e polarizzato attorno a Vref.
L'op amp "vede" il segnale come oscillazione attorno a 4,5 V, non attorno a 0 V.

Attenzione:
Vref deve essere stabile e a bassa impedenza.
Spesso si usa un partitore resistivo seguito da un buffer.

Questo punto è particolarmente importante con TL072 e RC4558, perché non sono op amp rail-to-rail e non sono sempre adatti a lavorare vicino a massa con alimentazioni basse. Per circuiti moderni a 3,3 V o 5 V, è spesso meglio scegliere un op amp rail-to-rail progettato per bassa tensione.

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 non invertente è una delle topologie più importanti con amplificatore operazionale. Offre guadagno positivo, alta impedenza di ingresso, semplicità di calcolo e possibilità di funzionare come buffer. È quindi ideale per preamplificatori, filtri attivi, condizionamento di sensori e adattamento di impedenza.