Configurazioni di base dell’amplificatore: l’amplificatore invertente

Inversione del segnale

Abbiamo imparato in un video precedente che il terminale di ingresso invertente dell’op-amp fornisce un mezzo conveniente per implementare la retroazione negativa. Tuttavia, possiamo anche usare questo terminale per creare un amplificatore che amplifica e inverte simultaneamente il segnale d’ingresso. Ecco il circuito:

L’inversione corrisponde ad un guadagno negativo ad anello chiuso (per esempio, GCL = -10). Poiché VOUT = VIN × GCL, un guadagno negativo farà sì che una tensione di ingresso positiva diventi una tensione di uscita negativa e una tensione di ingresso negativa diventi una tensione di uscita positiva.

Per quanto riguarda i segnali elettrici, un amplificatore invertente produce una forma d’onda che si riflette sull’asse orizzontale. Gli esempi qui sotto mostrano l’effetto dell’inversione su una tensione CC rumorosa (il grafico a sinistra) e su un segnale sinusoidale (il grafico a destra).

Quando lavoriamo con segnali sinusoidali, l’inversione può essere descritta in termini di spostamento di fase. Se spostiamo gradualmente una sinusoide in uscita rispetto a una sinusoide in ingresso, alla fine avremo un segnale in uscita il cui valore minimo coincide con il valore massimo del segnale in ingresso. Quindi, invertendo una sinusoide si creano effettivamente 180° di sfasamento.

Perché usiamo la configurazione invertente

L’approccio più intuitivo all’amplificazione è un circuito non invertente. Se l’obiettivo è semplicemente quello di applicare il guadagno, perché dovremmo voler modificare la polarità del segnale?

In alcuni casi, l’inversione stessa è desiderabile. Per esempio, se una piccola tensione negativa deve essere digitalizzata da un convertitore analogico-digitale che non può elaborare segnali che si estendono sotto terra, la configurazione invertente dell’op-amp amplificherebbe il segnale e stabilirebbe la corretta polarità.

In altri casi, l’inversione non è richiesta, ma non è nemmeno problematica, e usiamo l’amplificatore invertente perché offre prestazioni o funzionalità che non sono disponibili dall’amplificatore non invertente. Per esempio, la configurazione invertente può ridurre la distorsione del segnale, e permette di attenuare un segnale (con la configurazione non invertente, il guadagno minimo è l’unità).

Comprensione dell’amplificatore invertente

Come per l’amplificatore non invertente, possiamo usare le tecniche standard di analisi dei circuiti per determinare la relazione tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita di un amplificatore invertente op-amp.

1. Il terminale di ingresso non invertente è collegato direttamente a terra. Questo significa che abbiamo 0 V al terminale non invertente e al terminale invertente. (Se questa affermazione vi confonde un po’, date un’occhiata all’articolo di AAC sull’ipotesi del cortocircuito virtuale.)
2. VIN è applicato a R1 e genera una corrente di VIN/R1 che scorre verso il terminale d’ingresso invertente.
3. Siccome assumiamo che la corrente non possa fluire nel terminale d’ingresso, tutta quella corrente viaggia intorno all’op-amp e scorre verso il nodo di uscita attraverso R2. La caduta di tensione attraverso R2 sarà VINR2/R1.
4. Il lato sinistro di R2 è a 0 V, e poiché la corrente scorre da sinistra a destra, la tensione sul lato destro di R2 deve essere inferiore alla tensione sul lato sinistro. Quindi, la tensione al nodo di uscita sarà 0 V meno la caduta di tensione su R2: VOUT = 0 – VINR2/R1.

In base a questa analisi, possiamo esprimere il guadagno ad anello chiuso (GCL) della configurazione invertente come segue:

Nota che questo differisce dal GCL della configurazione non invertente in due modi. Il primo è il segno negativo, che riflette il fatto che il guadagno è sempre negativo (perché il rapporto delle due resistenze sarà sempre positivo). In secondo luogo, la GCL per l’espressione invertente non ha il termine “1 +”, e questo indica (come detto sopra) che il guadagno di un amplificatore op-amp invertente può essere inferiore all’unità.

Recap

• La configurazione op-amp invertente, come quella non invertente, richiede solo un amplificatore operazionale e due resistenze.
• La configurazione invertente crea un guadagno negativo, il che significa che un circuito può sia amplificare un segnale che cambiare la sua polarità da positivo a negativo o da negativo a positivo.
• La grandezza del guadagno è determinata dal rapporto tra i due valori di resistenza.