Amplificatore di Scala: Circuito Operazionale per Guadagno/Atenuazione Precisa del Segnale
Cos'è un Amplificatore di Scala?
Un amplificatore di scala è un circuito operativo che moltiplica una tensione di ingresso per un fattore costante e preciso K (fattore di scala), dove K può essere > 1 (amplificazione), < 1 (attenuazione), o negativo (inversione + scala). È il blocco fondamentale del calcolo analogico, condizionamento del segnale e acquisizione dati.
Circuito Canonico: Amplificatore di Scala Invertente
Rf Vin ──┬─────[ ]─────┐ │ │ ▼ ▼ (–) (–) | \ | \ | \ Op-Amp | \ | >─────────| >── Vout = –K × Vin | / | / | / | / (+) (+) │ │ GND GND │ [Rin] │ GND
Funzione di Trasferimento
Vout = – (Rf / Rin) × Vin
Fattore di Scala K = –Rf / Rin
- |K| > 1: Amplificazione (Rf > Rin).
- |K| = 1: Invertitore a guadagno unità (Rf = Rin).
- |K| < 1: Attenuazione (Rf < Rin).
Amplificatore di Scala Non Invertente
Vout = (1 + Rf/Rg) × Vin (K ≥ 1 solo). Per K < 1, usa uno stadio invertente o partitore di tensione + buffer.
Considerazioni di Progettazione di Precisione
| Fonte di Errore | Effetto su K | Mitigazione |
|---|---|---|
| Tolleranza Resistori | ΔK/K ≈ ΔRf/Rf + ΔRin/Rin | Reti a pellicola sottile 0,01%–0,1%; coppie accoppiate (es. LT5400, INA159). |
| TCR Resistori | Deriva del guadagno con la temperatura | TCR accoppiato (< 2 ppm/°C tracking); stesso substrato. |
| VOS Operazionale | Offset in uscita = VOS × (1 + K) | Operazionali chopper/zero-drift (LTC2057, ADA4522, OPA388); auto-zero. |
| IB / IOS Operazionale | Offset tensione attraverso Rf | Basso IB (JFET/CMOS); abbina Rin||Rf sull'ingresso +. |
| AOL Finito | Errore guadagno ≈ K / AOL | Alto AOL (> 120 dB); basso K; o amplificatore composito. |
| Banda / Slew Rate | Guadagno cala ad alta f; distorsione ad alta dV/dt | GBW >> K × fsignal; SR > 2πfVpeak. |
| CMRR / PSRR | Modulazione del guadagno da VCM / VCC | Alti CMRR/PSRR operazionali; corretto bypass degli alimentatori. |
Applicazioni
- Condizionamento Segnale Sensore: Termocoppia (mV → V), estensimetro (µV/V → V), fotodiodo (I → V con scala).
- Interfaccia ADC/DAC: Mappa il range del sensore al full-scale ADC (es. 0–5 V → 0–3,3 V).
- Calcolo Analogico: Sommazione, integrazione, derivazione (con C nel feedback).
- Gain-Ranging / Auto-Ranging: Rf / Rin commutati per estensione del range dinamico.
- Regolazione Livello Audio/Video: Adattamento livello linea, controllo volume (potenziometro digitale nel feedback).
Soluzioni Integrate
- INA159 / INA159A: Precision diff amp a guadagno unità (resistenze laser-trimate).
- AD8275 / AD8276: G = 1/5 o 5, 1/10 o 10, resistenze interne.
- PGA (Programmable Gain Amplifier): PGA280, AD8250, LTC6910 — controllo guadagno digitale.
- Potenziometro Digitale nel Feedback: AD5270, MCP45xxx — scala regolabile da µC.
Sommario
Un amplificatore di scala è un circuito precisione ratiometrico. La sua accuratezza dipende quasi interamente da accoppiamento e tracking dei resistori — non dall'operazionale. Per la massima precisione, usa reti di resistori monolitiche o blocchi di guadagno integrati.