Gli amplificatori sono circuiti elettronici che aumentano la potenza di un segnale affinché possa essere elaborato, misurato o trasmesso in modo più efficace. Nei sistemi analogici, i segnali provenienti da sensori, sorgenti audio o circuiti di controllo sono spesso troppo deboli per essere usati direttamente, quindi gli amplificatori vengono utilizzati per aumentare i livelli di tensione, migliorare la qualità del segnale e preparare il segnale per lo stadio successivo. Gli amplificatori operazionali, differenziali e amplificatori strumentali gestiscono ciascuno i segnali in modi diversi e vengono utilizzati in situazioni differenti. Questo articolo confronta questi tre tipi di amplificatori, spiegando come funzionano, in cosa differiscono e come scegliere quello giusto per applicazioni reali.
Cos'è un amplificatore operativo?
Un amplificatore operazionale, o op-amp, è un amplificatore elettronico che aumenta la differenza tra due tensioni di ingresso e produce una sola tensione di uscita. Ha due terminali di ingresso: l'ingresso non invertente (+) e l'ingresso invertente (−). L'uscita cambia in base alla differenza di tensione tra questi due ingressi.
Nei circuiti pratici, un amplificatore operacionale viene solitamente utilizzato con componenti di feedback esterni come resistenze e condensatori. Queste parti controllano il guadagno, la stabilità, la larghezza di banda e il comportamento complessivo del circuito. L'idea di base di un amplificatore operativo può essere espressa come:
Vout = Aol(V+ − V−)
dove Vout è la tensione di uscita, Aol è il guadagno ad anello aperto, V+ è la tensione di ingresso non invertente e V− è la tensione di ingresso invertente. Nelle applicazioni reali, il guadagno ad anello aperto molto elevato è solitamente controllato da feedback negativo, così che il circuito possa produrre un'uscita stabile e prevedibile.
Cos'è un amplificatore differenziale?
Un amplificatore differenziale aumenta la differenza tra due tensioni di ingresso e riduce i segnali che appaiono ugualmente su entrambi gli ingressi. Questi segnali uguali sono chiamati segnali in modalità comune. Per questo motivo, un amplificatore differenziale è utile quando il segnale importante è la differenza di tensione tra due punti, non solo un segnale misurato rispetto a massa.
Un amplificatore differenziale di base ha due ingressi, spesso chiamati V1 e V2, e un'uscita. L'uscita cambia in base alla differenza tra i due ingressi. Se entrambi gli ingressi salgono o scendono insieme a causa di rumore o interferenze, l'amplificatore cerca di rifiutare quel segnale condiviso amplificando solo la differenza utile.
L'idea di base può essere espressa così:
Vout = Ad(V2 − V1)
dove Vout è la tensione di uscita, Ad è il guadagno differenziale, e V2 − V1 è la differenza di tensione tra i due segnali di ingresso.
Cos'è un amplificatore strumentale?
Un amplificatore strumentale è un amplificatore di precisione progettato per amplificare segnali differenziali molto piccoli rifiutando però rumori o segnali indesiderati che appaiono in modo uguale su entrambi gli ingressi. È comunemente utilizzata quando il segnale proviene da sensori, perché molti sensori producono deboli variazioni di tensione che necessitano di un'amplificazione accurata prima dell'elaborazione.
Un amplificatore strumentale ha due terminali di ingresso e solitamente un terminale di uscita. Come un amplificatore differenziale, amplifica la differenza tra le due tensioni di ingresso. Tuttavia, offre un'impedenza di ingresso più elevata, un migliore rifiuto in modalità comune e un guadagno più stabile rispetto a un semplice amplificatore differenziale. Questo aiuta a prevenire il carico dei sensori e migliora la precisione delle misurazioni.
L'idea di base può essere espressa così:
Vout = G(V2 − V1)
dove Vout è la tensione di uscita, G è il guadagno dell'amplificatore e V2 − V1 è la tensione differenziale di ingresso.
Op-Amp vs Amplificatore differenziale vs Amplificatore per strumentazione
| Punto di confronto | Amplificatore Operativo | Amplificatore differenziale | Amplificatore strumentale |
|---|---|---|---|
| Tipo di input | Può essere usato con ingresso a singola estremità o differenziale a seconda del progetto del circuito | Usa due segnali di ingresso e risponde alla loro differenza | Usa due segnali di ingresso e risponde alla loro differenza |
| Tipo di uscita | Di solito uscita single-ended | Di solito l'uscita single-end, ma esistono anche versioni completamente differenziali | Solitamente uscita single-end, a seconda del progetto del circuito integrato |
| Equazione di base | Vout = Aol(V+ − V−) | Vout = Ad(V2 − V1) | Vout = G(V2 − V1) |
| Controllo di guadagno | Il guadagno è solitamente impostato da resistori di retroazione esterni | Il guadagno è impostato dai rapporti delle resistenze | Il guadagno è spesso impostato da una resistenza di impostazione del guadagno |
| Impedenza di ingresso | Di solito alto, a seconda del tipo e della configurazione dell'amplificatore operativo | I progetti a resistore da moderati ad alti ma basilari possono caricare la sorgente | Molto alta, rendendola adatta per sensori |
| Livello di accuratezza | Da uso generale fino alla precisione, a seconda dell'amplificatore operativo usato | Precisione da moderata a buona | Alta precisione |
| Errore di offset | Dipende dall'amplificatore operativo selezionato | Influenzato dallo spostamento dell'amplificatore operativo e dalla disadattamento delle resistenze | Solitamente a basso offset e a bassa deriva nei modelli di precisione |
| Banda | Ampia gamma, a seconda dell'amplificatore operativo | Dipende dalla rete op-amp, guadagno e resistore | Spesso inferiori agli amplificatori operativi generali ad alto guadagno |
| Complessità del circuito | Da semplice a moderato | Moderato | Da moderato ad alto, ma semplice quando si utilizza un circuito integrato integrato |
| Componenti esterni | Resistori a retroazione e altre parti a seconda della configurazione | Richiede resistori accuratamente abbinati | Spesso richiede solo una resistenza di guadagno e pochi supporti |
| Sensibilità all'adattamento dei resistori | Importante nei circuiti a guadagno | Molto importante per ottenere precisione e CMRR | Meno difficile per gli utenti quando si utilizzano circuiti integrati a resistenza abbinata |
| Miglior utilizzo | Amplificazione generale, filtraggio, buffering ed elaborazione analogica del segnale | Misurazione delle differenze di tensione tra due punti | Misurazione del segnale dei sensori di precisione |
| Vantaggio principale | Molto flessibile e ampiamente disponibile | Rifiuta i segnali comuni e misura le differenze di tensione | Alta precisione, alta impedenza di ingresso e forte rifiuto in modalità comune |
| Limitazione principale | Non sempre ideale per segnali sensoriali minuscoli senza una cura extra nel design | La precisione dipende dall'adattamento dei resistori e dall'impedenza di ingresso | Più specializzati e possono costare più dei circuiti base degli amplificatori operativi |
Fattori chiave di prestazione degli amplificatori da considerare
Impostazione del guadagno e precisione del guadagno
L'impostazione del guadagno spiega come viene controllato il guadagno in uscita dell'amplificatore, mentre l'accuratezza del guadagno indica quanto il guadagno effettivo sia vicino al valore atteso.
• In un circuito op-amp, il guadagno è solitamente impostato da resistenze di retroazione esterne. Ad esempio, un amplificatore operacionale non invertente utilizza il rapporto delle resistenze attorno al percorso di retroazione per impostare il guadagno. Questo rende gli amplificatori operativi molto flessibili perché lo stesso dispositivo può essere utilizzato per buffering, basso guadagno, alto guadagno, filtraggio o condizionamento del segnale.
• In un amplificatore differenziale, anche il guadagno dipende dai rapporti delle resistenze, ma l'adattamento delle resistenze diventa più critico. Se i rapporti delle resistore non sono strettamente allineati, l'amplificatore può produrre errore di guadagno e un rifiuto in modalità comune più debole. Per circuiti differenziali di precisione, i progettisti spesso utilizzano resistenze a tolleranza stretta come componenti allo 0,1% o allo 0,01% invece delle resistenze standard all'1%.
• In un amplificatore strumentale, il guadagno è spesso impostato da una resistenza esterna o da una rete interna di regolazione del guadagno, il che facilita il raggiungimento di guadagno stabile nei circuiti di sensori e di misura. Analog Devices osserva che gli amplificatori operativi sono configurati tramite diversi componenti esterni, mentre gli amplificatori strumentali sono comunemente configurati per il guadagno tramite un solo resistore o per tap di guadagno selezionabili.
Rifiuto in modalità comune e ripulsione del rumore
Il rifiuto in modalità comune descrive quanto bene un amplificatore respinge i segnali che appaiono contemporaneamente su entrambi gli ingressi. Questo è importante perché i circuiti reali spesso captano rumore condiviso da linee elettriche, motori, alimentatori commutati, lunghi fili sensori o circuiti digitali vicini. Se l'amplificatore ha scarsa rigetto in modalità comune, parte di quel rumore indesiderato può comparire all'uscita e ridurre la precisione del segnale.
• Gli amplificatori operativi possono rifiutare segnali in modalità comune, ma le loro prestazioni effettive dipendono dalla configurazione del circuito e dal design del feedback.
• Un amplificatore differenziale è specificamente progettato per amplificare la differenza tra due ingressi, ma il suo CMRR dipende fortemente dal matching delle resistenze. Se la rete di resistori non è bilanciata, il rifiuto del rumore in modalità comune si indebolisce.
• Gli amplificatori strumentali solitamente forniscono il rifiuto in modalità comune più forte perché sono progettati per segnali differenziali piccoli in ambienti rumorosi. In molte applicazioni di sensori di precisione, gli amplificatori di strumentazione possono avere valori CMRR compresi tra 80 dB e oltre 120 dB, a seconda del guadagno e del tipo di dispositivo.
Per questo motivo sono spesso preferiti per sensori a ponte, termocoppie e segnali di misura medici o industriali. Analogic Devices descrive gli amplificatori strumentali come blocchi di guadagno differenziale in ingresso comunemente utilizzati dove sono necessarie un'elevata impedenza di ingresso e un rifiuto in modalità comune.
Impedenza di ingresso e carico della sorgente
L'impedenza di ingresso mostra quanto l'amplificatore influisce sulla sorgente del segnale. Un'alta impedenza di ingresso significa che l'amplificatore assorbe pochissima corrente dalla sorgente, quindi il segnale originale viene meglio preservato. Una bassa impedenza di ingresso può caricare la sorgente, ridurre la tensione misurata e creare errori di segnale prima ancora che l'amplificazione inizi.
• Gli amplificatori operativi di solito hanno un'alta impedenza di ingresso, specialmente i tipi CMOS e JFET. Questo li rende utili per il buffering di tensione e il condizionamento generale del segnale.
• Gli amplificatori differenziali possono avere un'impedenza effettiva di ingresso inferiore perché il segnale di ingresso spesso passa attraverso reti di resistenze. Questo può diventare un problema quando il segnale sorgente è debole o proviene da un sensore ad alta impedenza.
• Gli amplificatori strumentali solitamente forniscono un'impedenza di ingresso molto alta e bilanciata su entrambi gli ingressi, il che aiuta a prevenire il carico del sensore.
Offset, Deriva e Accuratezza delle Misurazioni
La tensione offset è un piccolo errore di tensione indesiderato che appare all'ingresso dell'amplificatore. Anche quando i due segnali di ingresso sono uguali, un amplificatore reale può comunque produrre un piccolo errore di uscita a causa di uno squilibrio interno. Questo errore diventa più grave quando si misurano segnali molto piccoli, come le uscite dei sensori a livello microvolt o millivolt.
La deriva significa che lo spostamento o il guadagno cambia man mano che la temperatura cambia nel tempo. Questo è importante nei circuiti industriali, automobilistici e di misura di precisione perché l'amplificatore potrebbe non rimanere a una temperatura fissa. Gli amplificatori operativi generali possono essere accettabili per il condizionamento base del segnale, ma gli amplificatori operativi di precisione e gli amplificatori strumentali sono migliori quando offsati e la deriva deve essere molto bassa. Ad esempio, alcuni amplificatori operativi di precisione a deriva zero possono avere una tensione di offset nell'intervallo sub-microvolt e una deriva di offset fino a 0,005 μV/°C, a seconda del dispositivo. La famiglia di amplificatori di precisione OPAx189 di TI è un esempio che elenca valori di offset e drift molto bassi per la misurazione di segnali di precisione.
Larghezza di banda, velocità di slew e risposta del segnale
La larghezza di banda mostra la gamma di frequenze che un amplificatore può gestire senza una perdita significativa di segnale. La velocità di slew mostra quanto velocemente può cambiare la tensione di uscita, solitamente misurata in V/μs. Questi due fattori determinano se l'amplificatore può seguire con precisione segnali di ingresso che cambiano rapidamente. Se la larghezza di banda è troppo bassa, i segnali ad alta frequenza diventano più deboli. Se la velocità di slew è troppo bassa, l'uscita può apparire distorta quando il segnale cambia rapidamente.
Per gli amp op, la larghezza di banda è spesso correlata al prodotto guadagno-larghezza di banda. Ciò significa che con l'aumentare del guadagno ad anello chiuso, la larghezza di banda utilizzabile di solito diminuisce. Ad esempio, se un amplificatore operativo a retroazione di tensione ha un prodotto guadagno-larghezza di banda di 10 MHz, può fornire circa 10 MHz di larghezza di banda con guadagno di 1, ma solo intorno a 1 MHz con guadagno di 10, in un caso semplificato. Il prodotto di guadagno e larghezza di banda a circuito chiuso è una figura chiave di valore per molti amplificatori operativi a retroazione di tensione.
Anche gli amplificatori differenziali e strumentali hanno limiti di larghezza di banda, specialmente a guadagno più elevato. Gli amplificatori strumentali sono spesso ottimizzati per precisione e ritiro del rumore piuttosto che per velocità molto elevate, quindi la loro larghezza di banda può ridursi con l'aumentare del guadagno. Per segnali veloci, dovresti controllare sia la larghezza di banda che la velocità di slew nella scheda tecnica. La larghezza di banda a piena potenza dovrebbe solitamente essere diverse volte superiore alla frequenza massima del segnale di uscita per evitare distorsioni nei progetti di amplificatori ad alta velocità
Applicazioni reali di ciascun tipo di amplificatore
Applicazioni degli amplificatori operativi
Gli amplificatori operativi sono ampiamente utilizzati quando un circuito necessita di un controllo flessibile del segnale. Possono amplificare segnali di tensione deboli, buffer uno stadio del circuito da un altro, filtrare frequenze indesiderate o regolare un segnale prima che arrivi a un ADC, microcontrollore o un altro circuito analogico. Poiché il guadagno e la funzione sono impostati da componenti di feedback esterni, un unico circuito integrato op-amp può supportare molti ruoli diversi nei circuiti.
Un esempio comune è il LM358. È un amplificatore a doppia operazione spesso utilizzato in circuiti analogici sensibili ai costi. Texas Instruments elenca l'LM358 come un amplificatore operativo duale a 30 V e 700 kHz, il che lo rende adatto per il condizionamento generale del segnale, amplificazione a bassa frequenza, circuiti di interfaccia sensore e sistemi di controllo analogici di base. Ad esempio, un LM358 può essere usato per amplificare una piccola tensione di sensore prima che venga letta da un microcontrollore, oppure può agire come buffer di tensione affinché lo stadio successivo del circuito non carichi la sorgente del segnale.
Gli amplificatori operativi sono comuni anche nei filtri attivi, preamplificatori audio, follower di tensione, amplificatori di errore nelle alimentazioni e circuiti di rilevamento del segnale simili a comparatori. Di solito sono la scelta migliore quando il circuito necessita di flessibilità piuttosto che di prestazioni di misurazione con la massima precisione.
Applicazioni degli amplificatori differenziali
Gli amplificatori differenziali vengono utilizzati quando il circuito deve misurare la differenza tra due punti di tensione invece di misurare una sola tensione rispetto a massa. Questo li rende utili nel rilevamento della corrente, sottrazione di tensione, ricezione bilanciata del segnale, feedback di controllo motore e circuiti in cui appare rumore indesiderato su entrambe le linee di ingresso. Concentrandosi sulla differenza di tensione, un amplificatore differenziale può ridurre il rumore condiviso ed estrarre il segnale utile.
Un vero esempio di IC è l'AD8276 di Analog Devices. L'AD8276 è un amplificatore a differenza di guadagno unitario progettato per il condizionamento di segnale di precisione in applicazioni a bassa potenza. Include resistori interni tagliati con laser, che aiutano a migliorare la precisione del guadagno e il rifiuto in modalità comune rispetto a un semplice amplificatore differenziale a resistori discreti. Analog Devices elenca gli AD8276/AD8277 come amplificatori di differenza a uso generale con rapporto di rifiuto in modalità comune di 86 dB e bassa deriva di guadagno.
Nei circuiti reali, un dispositivo come l'AD8276 può essere utilizzato per il rilevamento della corrente, misurazione di tensione di precisione, conversione da un'estremità singola a differenziale e condizionamento industriale del segnale. È utile quando il progettista necessita di una sottrazione accurata tra due segnali ma non ha bisogno dell'intera performance di misurazione del sensore di un amplificatore strumentale.
Applicazioni degli amplificatori strumentali
Gli amplificatori strumentali sono utilizzati quando il circuito deve misurare con precisione segnali differenziali molto piccoli, specialmente quando è presente rumore. Sono comuni nei sistemi sensori perché offrono un'alta impedenza di ingresso, guadagno stabile e forte rigetto in modalità comune. Questo aiuta a prevenire che i segnali dei sensori deboli vengano caricati o distorti prima dell'amplificazione.
Un esempio comune è l'INA333 di Texas Instruments. L'INA333 è un amplificatore a basso consumo e strumentazione di precisione, progettato per una misurazione accurata del segnale. TI afferma di utilizzare un amplificatore strumentale a tre amplificatori operativi e che un singolo resistore esterno può impostare il guadagno. Questo lo rende utile per applicazioni portatili e basate su sensori, dove i segnali piccoli necessitano di un'amplificazione pulita.
Gli amplificatori strumentali sono spesso utilizzati con celle di carico, galometri, sensori a ponte, termocoppie, sensori di pressione, sensori biomedici e sistemi di acquisizione dati. Ad esempio, una cella di carico può produrre solo un piccolo segnale a livello di millivolt quando viene applicato il peso. Un amplificatore strumentale come l'INA333 può amplificare quel piccolo segnale differenziale rifiutando il rumore captato dai fili sensori.
Selezione reale dell'amplificatore di esempio
| Caso d'uso del sistema | Tipo di segnale | Requisito Chiave | Amplificatore consigliato | Perché si adatta |
|---|---|---|---|---|
| Amplificatore audio (da microfono a altoparlante) | mV a V (a estremità singola) | Guadagno flessibile, ampia larghezza di banda | Op-Amp (ad esempio, TL072, LM358) | gestisce amplificazione, filtraggio e buffering del segnale con un design semplice |
| Monitoraggio della corrente motore | mV (attraverso lo shunt, differenziale) | Rigetto del rumore, immunità al PWM | Amplificatore differenziale (ad esempio, INA240) | Misura la differenza di tensione e rifiuta il rumore di commutazione |
| Sistema ECG Medico | μV (differenziale molto piccolo) | Alta precisione, alto CMRR | Amplificatore strumentale (ad esempio, AD8232) | Amplifica segnali deboli con forte rigetto del rumore |
| Cella di carico / Sistema di pesatura | mV (sensore a ponte) | Alta impedenza di ingresso, guadagno stabile | Amplificatore di strumentazione (ad esempio, INA333) | Previene il carico dei sensori e garantisce una misurazione accurata |
| Controllo a retroazione dell'alimentatore | V (a estremità singola) | Guadagno stabile, risposta rapida | Op-Amp | Utilizzato come amplificatore di errore per la regolazione della tensione |
| Interfaccia Sensori Industriali | mV a V (differenziale o a estremità singola) | Accuratezza e gestione del rumore | Amplificatore Op-Amplificatore o Strumentazione | La scelta dipende dalla potenza del segnale e dal livello di rumore |
| Rilevamento della corrente della batteria | mV (differenziale lato basso o lato alto) | Precisione, deriva bassa | Amplificatore differenziale | Misura con precisione una piccola caduta di tensione attraverso la resistenza di shunt |
Conclusione
Amplificatori operazionali, amplificatori differenziali e amplificatori strumentali servono ciascuno esigenze di segnale diverse. Usa un amplificatore operativo per amplificazione flessibile, buffering, filtraggio e condizionamento generale del segnale. Usa un amplificatore differenziale quando il circuito deve confrontare due punti di tensione o ridurre il rumore condiviso. Usa un amplificatore strumentale quando misura segnali sensoriali molto piccoli che richiedono alta precisione, alta impedenza di ingresso e forte rigetto del rumore. La scelta dell'amplificatore giusto dipende dal tipo di segnale, dal livello di rumore, dalla precisione, dalla velocità e dai requisiti del circuito.
