Per amplificatore differenziale si intende un circuito in grado di amplificare la differenza tra due segnali applicati in ingresso.
Gli ingressi sono due: un primo ingresso si chiama invertente e si indica col segno meno -. Questo vuol dire che il segnale in uscita è sfasato di 180° rispetto al segnale applicato sul morsetto invertente. Il secondo ingresso si chiama non invertente e si indica col segno più +. Questo vuol dire che il segnale in uscita è in fase con il segnale applicato in ingresso, sul morsetto non invertente.
Il simbolo di un amplificatore differenziale è il seguente.
L'amplificatore differenziale può essere realizzato utilizzando i transistor bipolari BJT, oppure i FET, oppure un solo circuito integrato in cui è presente uno o più amplificatori differenziali.
GUADAGNO DIFFERENZIALE
Essendo l'amplificatore differenziale un amplificatore, occorre
calcolare il guadagno. Ricordiamo che il guadagno indica quanto un amplificatore
può amplificare, e si ottiene di solito, facendo il rapporto tra tensione di
uscita e tensione di ingresso, se si vuole il guadagno di tensione. Nel nostro
caso essendo due gli ingressi vi sono due modi di calcolare il guadagno.
Prima di tutto diciamo che vi sono diversi modi di applicare un segnale
all'ingresso.
1° modo:
prevede di collegare il morsetto invertente a massa, e di applicare un solo segnale vi al morsetto non invertente. In uscita otteniamo il segnale vi amplificato di A1 volte, però vu è in fase col segnale di ingresso, cioè
vu = A1 vi
Dobbiamo notare che il morsetto a cui non è applicato il
segnale in ingresso, va comunque collegato a massa e non lasciato libero, cioè a
potenziale non definito. Collegandolo a massa, siamo sicuri che il segnale
applicato in ingresso, su quel morsetto, è nullo.
2° modo:
prevede di collegare il morsetto non invertente a massa, e di applicare un solo segnale vi al morsetto invertente. In uscita otteniamo il segnale vi amplificato di A2 volte, però vu è sfasato di 180° rispetto al segnale di ingresso, cioè
vu = A2 vi
In pratica A1 rappresenta il guadagno di tensione dell'amplificatore differenziale quando il segnale viene applicato sul morsetto non invertente, e contemporaneamente il morsetto invertente è collegato a massa. A1 è un numero positivo, poiché il segnale in uscita è in fase col segnale di ingresso. Invece, A2 rappresenta il guadagno di tensione dell'amplificatore differenziale quando il segnale viene applicato sul morsetto invertente, e contemporaneamente il morsetto non invertente è collegato a massa. A2 è un numero negativo, perché il segnale di uscita è sfasato di 180°, rispetto al segnale di ingresso.
3° modo
prevede di collegare contemporaneamente lo stesso segnale ai due ingressi. Poiché il primo segnale viene amplificato di A1 volte con sfasamento nullo ed il secondo segnale viene amplificato di A2volte e sfasato di 180°, essendo A1 = A2 ma di segno opposto, il segnale di uscita è nullo. Tale tipo di collegamento si dice di modo comune perché il segnale viene applicato uguale ai due ingressi, invertente e non invertente. Segnale uguale, vuol dire che il segnale è uguale in ampiezza, in frequenza e in fase. Tale collegamento non consente di ottenere un segnale di uscita, cioè possiamo dire che il segnale non passa, ma viene respinto indietro. Si dice reiezione di modo comune il fatto che il segnale viene rinviato indietro.
4° modo.
prevede di applicare sul primo ingresso un segnale in fase e sull'altro ingresso si applica un segnale uguale come ampiezza e frequenza, però sfasato di 180°.Di conseguenza in uscita otteniamo un segnale amplificato del doppio rispetto ad un normale amplificatore avente guadagno A1 oppure guadagno A2. Tale tipo di collegamento si dice di modo differenziale.
GUADAGNO DI MODO DIFFERENZIALE
Indichiamo con Ad il guadagno complessivo di modo differenziale, cioè
Ad = (
A1 + A2 )
2
dove A2 viene considerato in valore assoluto.
GUADAGNO DI MODO COMUNE
Indichiamo con As il guadagno di modo comune, cioè
As = A1 + A2
dove A2 viene considerato col suo segno negativo. Quindi, normalmente, essendo A1 = A2 si ottiene che As = 0
RAPPORTO DI REIEZIONE DI MODO COMUNE
Possiamo ora definire il rapporto di reiezione di modo comune, detto CMRR, come il rapporto tra
CMRR = __Ad___
As
Il rapporto di reiezione di modo comune indica la proprietà di un amplificatore differenziale di respingere il segnale che si presenta uguale ai due ingressi. Se consideriamo che il rumore o un disturbo che proviene dall'esterno, è un segnale che si presenta contemporaneamente ai due ingressi, possiamo ritenere che l'amplificatore differenziale è immune ai disturbi, vale a dire il disturbo viene respinto dall'amplificatore e quindi non passa in uscita.
Si dice amplificatore operazionale un amplificatore che ha come primo stadio di ingresso un amplificatore differenziale, secondo il seguente schema a blocchi:
Si dice operazionale perché è in grado di effettuare alcune operazioni matematiche. Dallo schema possiamo notare che ad un normale amplificatore differenziale è stato aggiunto un amplificatore di tensione, che è di tipo lineare, con un adattatore di impedenza in modo che la potenza trasferita in uscita sia la massima possibile.
DATI CARATTERISTICI
Diamo, ora, alcuni dati che sono validi per un normale amplificatore operazionale ed in particolare per il mA 741.
Resistenza di ingresso. E' la resistenza vista tra i due ingressi dell'amplificatore operazionale, quando è collegato a catena aperta, cioè senza reazione. Ricordiamo che si dice reazione il fatto di riportare in ingresso parte del segnale di uscita. Per il mA 741 è Rin = 2 MW .
Resistenza di modo comune. E' la resistenza di uno degli ingressi rispetto a massa, quando l'altro ingresso è isolato. Per il mA 741 è Rmc = 400 MW .
Tensione di fuori zero d'ingresso. E' la tensione che deve essere applicata tra i due ingressi in modo da annullare la tensione di uscita, quando in ingresso non vi è alcun segnale. Infatti a causa della non eguale amplificazione dei due stadi che costituiscono l'amplificatore differenziale, in uscita si ha una tensione ¹ 0, anche quando l'ingresso è nullo. Per evitare ciò, si applica una piccola tensione di ingresso, secondo il seguente schema:
l'amplificatore risulta bilanciato quando la tensione di uscita è nulla. La tensione di fuori zero per il mA 741 è Vfz = 1 mV.
Massima tensione di ingresso. E' la massima tensione che si può applicare tra un ingresso e massa. Per il mA 741 è Vin = ± 15 V.
Resistenza di uscita. E' la resistenza tra uscita e massa, quando l'amplificatore è collegato a catena aperta. Per il mA 741 è Ru = 75 W .
Massima tensione di uscita. E' la massima tensione tra uscita e massa, senza distorsione del segnale. Per il mA 741 è Vu = ± 13,5 V.
Corrente di corto circuito. E' la massima corrente che l'amplificatore può fornire in uscita. Per il mA 741 è Icc = 25 mA.
Guadagno di tensione. E' il rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso di modo differenziale, quando l'amplificatore è collegato a catena aperta. Per il mA 741 è
A =
Vu = 200.000
Vi
…………………………
Rapporto di reiezione di modo comune. E' il rapporto tra il guadagno di modo differenziale Ad ed il guadagno di modo comune As. Per il mA 741 è
CMRR =
Ad
As
Oppure usando il decibel
CMRR = 20 lg
Ad =
90 dB
As
Risposta in frequenza. Indica la banda di frequenze in cui il guadagno dell'amplificatore non si riduce di molto. In particolare per il mA 741 la frequenza di taglio è FT = 1 MHz. Ricordiamo che la frequenza di taglio si trova quando l'amplificazione è uguale a uno, cioè 0 dB.