Amplificatore operazionale non invertente
Nella configurazione non invertente il segnale viene applicato direttamente all’ingresso positivo dell’op-amp. L’uscita rimane quindi in fase con l’ingresso e il guadagno è sempre positivo. La retroazione negativa viene realizzata mediante una rete resistiva collegata all’ingresso invertente, permettendo di ottenere un guadagno preciso, stabile e facilmente calcolabile.
Come funziona un amplificatore non invertente?
Il segnale di ingresso Vin viene applicato direttamente al terminale non invertente (+). L’uscita viene invece riportata, attraverso una rete resistiva, al terminale invertente (−). Questa struttura realizza una retroazione negativa che obbliga l’op-amp a regolare continuamente Vout in modo da mantenere i due ingressi quasi allo stesso potenziale.
Vin sul +
Il segnale entra direttamente nell’ingresso non invertente.
Feedback sul −
Rf e R2 riportano una frazione di Vout all’ingresso invertente.
Uscita in fase
Quando Vin cresce, anche Vout cresce: non c’è inversione di fase.
Schema della configurazione non invertente
La resistenza Rf collega l’uscita al nodo invertente, mentre R2 collega lo stesso nodo al riferimento. Le due resistenze formano un partitore di tensione che preleva una frazione di Vout.
Le due regole dell’op-amp ideale
La rete di retroazione negativa
Rf e R2 prelevano una frazione della tensione di uscita e la applicano all’ingresso invertente. Se Vout tende a salire troppo, anche V− aumenta e la differenza V+ − V− si riduce. Se Vout tende a diminuire, accade il contrario.
Il partitore di tensione Rf–R2
Poiché in zona lineare V− ≈ V+ e V+ = Vin, possiamo uguagliare la tensione del partitore alla tensione di ingresso. Da questa relazione si ricava direttamente la formula del guadagno.
Derivazione passo per passo del guadagno
Manteniamo la sequenza grafica originale perché mostra chiaramente tutti i passaggi matematici che portano alla formula finale.
Formula del guadagno del non invertente
| Rapporto | Guadagno | Risultato |
|---|---|---|
| Rf = 0 | 1 | Voltage follower. |
| Rf = R2 | 2 | Vout doppia rispetto a Vin. |
| Rf = 4·R2 | 5 | Vout = 5·Vin. |
| Rf = 9·R2 | 10 | Vout = 10·Vin. |
Come calcolare la tensione di uscita
Rf = 30 kΩ
R2 = 10 kΩ
Av = 1 + 30/10 = 4
Vout = 0,5 × 4 = 2 V.
Impedenza d’ingresso molto elevata
Uno dei principali vantaggi del non invertente è che il segnale Vin viene applicato direttamente all’ingresso dell’op-amp. Nel modello ideale la corrente d’ingresso è nulla, quindi l’impedenza d’ingresso tende all’infinito.
Come scegliere Rf e R2
Dalla formula del guadagno possiamo ricavare il valore di Rf necessario:
Rf = (6 − 1) × 10 kΩ = 50 kΩ.
Valori troppo bassi
Aumentano la corrente nella rete di feedback e il carico sull’uscita.
Valori troppo alti
Aumentano l’influenza di bias current, rumore e capacità parassite.
Valori intermedi
Qualche kΩ o decine di kΩ sono spesso un buon punto di partenza pratico.
Non invertente e invertente a confronto
| Invertente | Non invertente |
|---|---|
| Vin entra sul terminale −. | Vin entra sul terminale +. |
| Guadagno negativo. | Guadagno positivo. |
| Sfasamento 180°. | Sfasamento 0°. |
| Av = −Rf/Rin. | Av = 1 + Rf/R2. |
| Zin ≈ Rin. | Zin molto elevata. |
| Può avere |Av| < 1. | Av minimo = 1. |
Il voltage follower
Il caso più semplice del non invertente è l’inseguitore di tensione, chiamato anche voltage follower o buffer a guadagno unitario.
L’uscita viene collegata direttamente all’ingresso invertente, realizzando una retroazione del 100%.
Schema dell’inseguitore di tensione
Limiti reali del non invertente
| Parametro | Effetto pratico |
|---|---|
| Output swing | Vout non può superare i limiti imposti dai rail. |
| Input common-mode | Vin deve rimanere nell’intervallo ammesso dagli ingressi. |
| GBW | La banda disponibile diminuisce con l’aumento del guadagno. |
| Slew rate | Limita segnali veloci e di grande ampiezza. |
| Offset | Produce errore sull’uscita, soprattutto con guadagni elevati. |
| Corrente d’uscita | Il carico non deve richiedere più corrente di quella disponibile. |
Simulazione interattiva dell’amplificatore non invertente
La pagina originale include una simulazione Tinkercad che permette di modificare Rf e R2 e osservare come cambiano guadagno e tensione di uscita.
Errori comuni
- confondere la formula del non invertente con quella dell’invertente;
- dimenticare il termine +1;
- chiamare “massa virtuale” il nodo invertente anche quando Vin non è 0 V;
- pensare che il guadagno possa essere inferiore a 1 nella configurazione standard;
- ignorare il common-mode range dell’ingresso;
- calcolare una Vout superiore all’output swing disponibile;
- scegliere valori di feedback troppo alti o troppo bassi;
- considerare il voltage follower capace di fornire corrente illimitata;
- ignorare GBW e slew rate nei segnali veloci.