Consideriamo ora il seguente semplice circuito con operazionale:
Osserviamo che solo l'ingresso non invertente, contrassegnato col +, è collegato con un generatore di tensione V+ continua. L'ingresso invertente invece, contrassegnato col -, è collegato direttamente a massa.
Pertanto abbiamo che:
Vd = V+ - V- = V+ - 0 = V+
In pratica la tensione differenziale di ingresso Vd coincide in questo caso con la tensione V+ del generatore.
La tensione di uscita Vu è data dalla formula:
Vu = Aol x ( V+ - V- ) = Aol x V+
Facciamo un esempio pratico. Supponiamo di fornire in ingresso una tensione V+ = 1 V e che il guadagno dell'operazionale abbia un valore tipico di 200.000
In questo caso la tensione di uscita del circuito dovrebbe valere:
Vu = Aol x V+ = 200.000 V = 200 kV
Si tratta evidentemente di un valore assurdamente elevato. Dov'è dunque l'errore?
Il fatto di cui non abbiamo tenuto conto è che, nel precedente circuito, l'operazionale è alimentato a ±15V e in nessun circuito in nessun caso ci può essere una tensione di valore maggiore delle tensioni di alimentazione. Questo fatto (detto teorema di non amplificazione) deriva dal principio di conservazione dell'energia: il circuito non può produrre in uscita più energia di quanta non riceva dalle alimentazioni.
Dunque in un operazionale reale alimentato a ±15V la tensione di uscita non potrà mai raggiungere i 200 kV: al massimo essa potrà arrivare fino a +15V o a -15V, cioè i valori delle alimentazioni.
In realtà le tensioni di alimentazione non possono neppure essere raggiunte. I valori limiti raggiungibili dalla tensione di uscita dell'operazionale sono definiti dal parametro detto output voltage swing (escursione massima della tensione di uscita):
Come si può osservare tale valore dipende ovviamente dalla tensione di alimentazione (indicata qui con VCC ). Per un'alimentazione di ±15V, l'output voltage swing di un'operazionale varia a seconda della resistenza interna del generatore Rs, da un minimo di ±10V a un tipico di ±14V. Il valore massimo non è indicato ma coincide, teoricamente, col valore delle alimentazioni.
Come regola pratica si può stimare che l'output voltage swing sia 1 o 2 V in meno rispetto all'alimentazione. In pratica con un'alimentazione di ±15V si può stimare che la tensione di uscita possa arrivare fino a ±13V o ±14V (chiaramente con un'alimentazione più elevata, aumenta di conseguenza l'escursione massima in uscita).
Il valore massimo di tensione in uscita all'operazionale viene detto tensione di saturazione (da non confondere con la zona di saturazione nei BJT che è un'altra cosa) e viene indicata di solito con Vsat. In realtà le tensioni di saturazione sono due: la saturazione positiva +Vsat e quella negativa -Vsat. Tali due tensioni di saturazione possono anche assumere due valori diversi nel caso che le alimentazioni positiva e negativa dell'operazionale non siano uguali (e in generale negli operazionali reali i valori assunti non sono mai perfettamente simmetrici, anche in presenza di un'alimentazione duale perfettamente bilanciata).
Il fenomeno della saturazione viene rappresentato chiaramente nella caratteristica ingresso-uscita dell'operazionale, che assume la seguente forma:
Si noti che nel grafico qui sopra le scale sugli assi delle x e delle y non sono le stesse. Se fosse disegnato usando la stessa scala, il grafico sarebbe ripidissimo e non sarebbe in pratica possibile distinguere la zona di amplificazione (zona lineare fra le due saturazioni).
A causa del suo elevatissimo guadagno l'operazionale ad anello aperto (cioè senza circuiti aggiuntivi di retroazione) non può dunque mai essere usato come amplificatore. La cosa appare abbastanza paradossale, se si considera il fatto che si tratta di un amplificatore quasi ideale, dalle prestazioni davvero ottime. E tuttavia non è possibile usarlo come amplificatore proprio a causa del suo guadagno eccessivo.
L'idea di attenuare il segnale di ingresso dell'operazionale (per esempio per mezzo di un partitore resistivo) in modo tale da non far saturare il componente è anch'essa irrealizzabile: primo perché si sprecherebbe inutilmente potenza (che senso avrebbe infatti attenuare una tensione per poi amplificarla?) e secondo perché, a dispetto di tutte le attenuazioni, l'operazionale saturerebbe comunque a causa delle tensioni di rumore sempre presenti e ineliminabili.
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