Amplificatori Operazionali-2

1. Amplificatori Operazionali-2 1. Applicazioni non lineari dell’operazionale. 2. Generatori di forme d’onda. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

2. 1. Applicazioni non lineari dell’AO 1.1 – Comparatore. 1.2 – Trigger di Schmitt. 1.3 – Comparatore a finestra. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

3. 1.1 Comparatore. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

4. Comparatore • Comparatore: dispositivo che confronta la tensione Vin applicata all’ingresso con una tensione di riferimento costante Vref (soglia). Per questo è anche detto comparatore a soglia. • L’uscita Vout indica se Vin è maggiore o minore di Vref, commutando di livello allorché Vin = Vref. • Se Vref ≠ 0 il circuito è anche detto rivelatore di livellomentre seVref = 0 prende il nome di rivelatore di zero. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

5. Comparatore invertente con Vref≠0 • Dalla transcaratteristica di destra si può notare che: • Quando Vin < Vref Vout ≈ + Vcc • Quando Vin > Vref Vout ≈ − Vcc • Quando Vin = Vref si ha la commutazione di livello ( Rivelatore di livello). Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

6. Comparatore non invertente con Vref=0 • Dalla transcaratteristica di destra si può notare che: • Quando Vin < 0 Vout ≈ − Vcc • Quando Vin > 0 Vout ≈ +Vcc • Quando Vin = 0 si ha la commutazione di livello ( Rivelatore di zero). approfondimento Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

7. Ruolo del comparatore • Il comparatore può essere considerato un’interfaccia tra circuiti analogici e digitali. • Infattii segnali di ingresso sono analogici mentre l’uscita assume solo 2 livelli ( ), che possono essere considerati livelli logici. • Può essere considerato un convertitore analogico/digitale a 1 bit. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

8. Limiti del comparatore a soglia • Il comparatore a soglia non assicura un'uscita costante: si ha quindi una "zona di indeterminazione", ovvero una fascia di valori del segnale di ingresso entro la quale il segnale viene amplificato, ma senza saturare. • Oltre a ciò vi è una difficoltà pratica di utilizzo del semplice comparatore a soglia in quelle applicazione in cui sia richiesto il controllo on/off di un dispositivo: • Se infatti la differenza tra il segnale variabile di ingresso "Vin" e quello di riferimento "Vref", è piccola o addirittura trascurabile, il comparatore sarà instabile, accendendo e spegnendo ripetutamente il dispositivo. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

9. Limiti del comparatore a soglia 3) L’AO in anello aperto è più sensibile a rumori e disturbi presenti agli ingressi invertente e non invertente. • Ciò può provocare commutazioni indesiderate dell’uscita a seguito di una momentanea ed errata coincidenza dei valori Vin e Vref. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

10. 1.2 Trigger di Schmitt.

11. Trigger di Schmitt • Il Trigger di Schmitt, o comparatore rigenerativo o comparatore con istèresi o comparatore a doppia soglia, riduce gli inconvenienti del comparatore a soglia, creando una zona di insensibilità (isteresi), compresa entro due soglie di intervento (VT+ e VT−). • Ciò grazie alla retroazione positiva (frazione dell’ uscita riportata in ingresso al terminale + dell’AO, con aumento del guadagno). Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

12. Funzionamento del Trigger di Schmitt 1) Se Vout = +Vcc • V+ = [R2/(R1+R2)](+Vcc). Allorché Vin raggiunge tale valore (indicato con tensione di soglia superiore VT+), Vout commuta a Vcc. 2) Se Vout = Vcc • V+=[R2/(R1+R2)] (Vcc). Allorché Vin, diminuendo, raggiunge tale valore (indicato con tensione di soglia inferiore VT), Vout ricommuta al valore +Vcc, rimanendovi fino al successivo passaggio per VT+. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

13. La transcaratteristica • VH = VT+ - VT- = Tensione di Istèresi. Se Vref fosse ≠ 0 il grafico traslerebbe orizzontalmente. • L’istèresi è quella che permette di evitare le commutazioni indesiderate: maggiore è VH minore è la probabilità di avere false commutazioni. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

14. Porte con ingressi a trigger di Schmitt • Un inconveniente che si verifica di frequente sulle linee di trasmissione di segnali digitali è la degradazione dei loro livellilogici. • Questo capita a causa della sovrapposizione al segnale utile di una componente di rumore che va a variare l’ampiezza picco-picco del segnale. • Spesso a ciò si accompagna anche un peggioramento della forma dei fronti d’onda di salita e discesa. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

15. Porte con ingressi a trigger di Schmitt • Sfruttando le caratteristiche del Trigger di Schmitt, i progettisti hanno realizzato porte logiche integrate coningressi a trigger di Schmitt (o porte con istèresi), il cui simbolo è rappresentato in figura. • Esse presentano una transcaratteristica in cui non esiste una zona di transizione graduale nel passaggio da un livello all’altro, bensì un passaggio brusco in corrispondenza di due distinti valori dell’ingresso (le tensioni di soglia). Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

16. Porte con ingressi a trigger di Schmitt • Le porte logiche con istèresi, dunque, sono più immuni ai rumori di quelle senza istèresi. • Sono dunque usate per “ripulire” dal rumore il segnale di ingresso e migliorare la definizione dei fronti del segnale in uscita. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR approfondimento

17. 1.3 Comparatore a finestra. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

18. Il comparatore a finestra • Il comparatore a finestra permette di riconoscere se una tensione, Vin, risulta all’interno o all’esterno di una finestra di valori, ossia tra due estremi, Vref1 e Vref2. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

19. Schema circuitale del comparatore a finestra • In figura, il comparatore superiore (A1) è di tipo non invertente, mentre quello inferiore (A2) è di tipo invertente, pertanto si otterrà il seguente funzionamento: Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

20. Principio di funzionamento 1)Vin < Vref2 l’uscita di A2 è alta e l’uscita di A1 è bassa D2 è ON e D1 è OFF Vout=+VCC grazie ad A2. 2)Vin > Vref1 l’uscita di A1 è alta e l’uscita di A2 è bassa D1 è ON e D2 è OFF Vout=+VCC grazie ad A1. 3)Vref2 < Vin < Vref1 le uscite di A1 e A2 sono basse, sia D1 che D2 sono OFF  Vout = 0. approfondimento Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

21. Amplificatori Operazionali-2 2. Generatori di forme d’onda. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

22. 2. Generatori di forme d’onda 2.1 – Multivibratori. 2.2 – Astabile ad operazionale. 2.3 – Generatore di onda quadra e triangolare. 2.4 – Multivibratori a porte logiche 2.5 – Multivibratori integrati. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

23. 2.1 Multivibratori. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

24. Multivibratori • I multivibratori,a differenza degli oscillatori sinusoidali,sono circuiti adatti a fornire onde quadre, rettangolari o impulsive. • Sono realizzati in svariate forme: • a BJT, • ad operazionale, • a porte logiche, • in circuito integrato. • Si distinguono in monostabili, bistabili e astabili. approfondimento Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

25. Multivibratore monostabile • Presenta uno stato stabile, in cui può rimanere indefinitamente, ed uno quasi-stabile. • Mediante il segnale di comando Vi in ingresso è possibile far commutare l’uscita Vo dallo stato stabile SS) a quello quasi-stabile (SQS). • Da quest’ultimo, però, dopo un tempo dipendente dai parametri del circuito stesso, l’uscita ritorna nello stato stabile. • In definitiva il circuito genera, in seguito ad un comando, un impulso (onda rettangolare) di durata prestabilita, utilizzabile come temporizzatore. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

26. Multivibratore bistabile • Detto anche flip-flop, presente due stati stabili (SS) nei quali può permanere indefinitamente. • Il circuito passa da uno stato all’altro solo in seguito ad un comando esterno. Trova largo impiego come cella di memoria e divisore di frequenza (FF JK e FF T). Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

27. Multivibratore astabile • E’ caratterizzato da due stati non stabili (uscita alta e bassa) tra i quali il multivibratori oscilla senza bisogno di comandi esterni. • L’autoinnesco dell’oscillazione è reso possibile, sotto certe condizioni, dalla sicura presenza di una quantità infinitesima di rumore termico nel sistema amplificatore−rete di reazione, amplificata dall’anello di reazione. • Il periodo delle oscillazioni è determinato dalle costanti di tempo del circuito. • L’astabile è un vero e proprio generatore dionde rettangolari. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

28. 2.2 Astabile ad operazionale.

29. Astabile ad operazionale • Se colleghiamo all’uscita del Trigger di Schmitt un ramo di temporizzazioneRC e applichiamo la tensione del condensatore Vc all’ingresso invertente del comparatore otteniamo un multivibratore astabile (generatore di onda quadra). Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

30. Principio di funzionamento • Supponiamo inizialmente Vo = VoH.C tende a caricarsi al valore +Vcc con costante di tempo RC, ma quando Vc (= V = V+ = VR2) raggiunge il valore VT+ (tensione di soglia superiore del Trigger), Vo commuta portandosi al valore –Vcc. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

31. Principio di funzionamento • A questo punto Vc si inverte di polarità e C inizia a scaricarsi tendendo a VoL con la stessa costante di tempo. Giunta però Vc alla soglia inferiore VT  l’uscita ricommuta e il ciclo ricomincia. (L’analisi sarebbe identica se partissimo dal valore Vout=Vcc). Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

32. 2.3 Generatore d’onda quadra e triangolare.

33. Generatore di onda quadra e triangolare • Con il seguente circuito è possibile ottenere sia un’onda quadra (Vo1) che un’onda triangolare (Vo2). • Infatti esso è costituito da un Trigger di Schmitt non invertente (con Vref = 0) che alimenta un integratore invertente. • L’uscita Vo2 dell’integratore è a sua volta riportata all’ingresso del trigger in modo da chiudere l’anello di reazione. approfondimento Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

34. Forme d’onda approfondimento Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

35. Relazioni matematiche • Valgono le seguenti relazioni: Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

36. 2.4 Multivibratori a porte logiche.

37. Multivibratori a porte logiche • Le porte logiche TTL e CMOS vengono spesso usate per realizzare circuiti formatori d’onda, in particolare: • multivibratori astabili (generatori di segnali di clock), • multivibratorimonostabili (formatori di impulsi) • multivibratori bistabili (celle di memoria a flip-flop). approfondimento Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

38. Principio di funzionamento • Il principio che sta alla base dei multivibratori a porte logiche è che se si collega l’ingresso con l’uscita di un blocco costituito da un numero pari di porte NOT, si ottiene una reazione positiva. • In questo caso il punto di lavoro non può permanere nella zona di transizione tra i due livellima viene sospinto energicamente al livello alto o basso della transcaratteristica. • Perciò la configurazione costituita da 2 porte reazionate viene utilizzata come blocco di commutazione nei circuiti a scatto. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

39. Monostabile a CMOS La porta G2 funziona da NOT. Il circuito presenta uno stato stabile (Vo = L), la cui rimozione è possibile mediante l’applicazione di un impulso positivo (Vcomm) all’ingresso di G1. Tale impulso positivo porta il circuito nello stato quasi-stabile (Vo=H),la cui durata, To, dipende dalla costante di tempo RC e dalla tensione di soglia VT = Vcc/2 tra stato H e L: Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

40. Astabile a CMOS • E’ costituito da 2 porte NOT e da una rete di temporizzazione RC, posta in retroazione, che fissa un duty-cycled=50% e un periodo dell’oscillazione T al valore: Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

41. Astabile con NOT a trigger di Schmitt • Si può ottenere un astabile grazie ad una porta NOT con ingresso a Trigger di Schmitt. • Anche in questo caso d=50% e il periodo complessivo dell’onda quadra di uscita vale: Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

42. 2.5 Multivibratori integrati

43. Multivibratori integrati • La maggior parte delle case costruttrici di componenti elettronici producono generatori di funzioni integrati, in grado di fornire segnali di forma d’onda diversa. • Questi segnali sono, tipicamente: • Segnale sinusoidale • Segnale triangolare • Onda quadra • Per essi si possono variare alcuni parametri, come: • frequenza, • ampiezza, • duty-cycle. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

44. Monostabili integrati • Le principali caratteristiche dei monostabili integrati sono: • il numero e il tipo degli ingressi di trigger (di comando); • la retriggerabilità (capacità di cominciare un nuovo ciclo di temporizzazione durante lo stato instabile); • la resettabilità; • la durata dell’impulso. • Monostabili di uso comune sono: 74121, 74122, 74123, 9602, 8853, 4098, XR2240, 555. • Il 555 è uno dei più diffusi integrati dedicati alla temporizzazione, oltre che alla realizzazione di multivibratori astabili e monostabili, attuabili con l’aggiunta di pochi componenti esterni (resistenze, condensatori). approfondimento Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

45. 555 come astabile • Ra, Rb e C costituiscono il ramo di temporizzazione. • Il condensatore da 0,01 μF permette di mantenere fissa la tensione di riferimento al pin 6 (THR), isolando in continua il pin 5 dalla massa e cortocircuitando invece eventuali disturbi. • Il periodo T dell’onda quadra di uscita e il duty-cycle dvalgono: approfondimento Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

46. 555 come monostabile • Ra e C formano la rete di temporizzazione. • Il terminale di trigger, (pin 2), diventa l’ingresso sul quale applicare il segnale di comando (impulso negativo di ampiezza Vcc). • La durata dell’impulso vale: approfondimento Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

47. Approfondimenti Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR

48. Limiti del comparatore in anello aperto • Il comparatore in anello aperto presenta un grave inconveniente. • Infatti, se al segnale analogico d’ingresso fosse sovrapposto un disturbo (tensione casuale di rumore che ne modifica l’ampiezza), l’ampiezza del segnale risultante potrebbe avere delle escursioni talora al di sopra e talora al di sotto di Vref. • Ciò provocherebbe commutazioni indesiderate dell’uscita, fonte di malfunzionamenti della circuiteria a valle del comparatore. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR torna

49. Diodi e operazionali • L’utilizzo dei diodi nelle configurazioni circuitali ad operazionale permette di ottenere dispositivi dal comportamento molto interessante: • raddrizzatore attivo a semplice e doppia semionda, che consente di rendere unidirezionale un segnale bidirezionale, • rivelatore di piccoattivo,che grazie alla presenza di un condensatore carico permette di “bloccare” il valore dell’uscita al valore massimo assunto dall’ingresso, • fissatore attivo, o limitatore di tensione, che “fissa” il valore dell’uscita ad un determinato livello di potenziale, fissato da un partitore. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR torna

50. Retroazione negativa e positiva • Nelle applicazioni lineari degli amplificatori operazionali è sempre presente reazione negativa. • Le applicazioni lineari con reazione negativa possono presentare una rete di retroazione: • resistiva (come nelle configurazioni invertente e non, buffer, sommatore, differenziale, ecc.) • oppure reattiva (per esempio il circuito integratore, derivatore, filtri attivi, astabile, ecc). • Nelle applicazioni non lineari vi può essere reazione negativa o positiva. Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR torna