Massa virtuale per op fuori linearità

[brabus]

(...)
Mi potresti dire dove sbaglio?

Con piacere.

(...)
visto che l'impedenza di ingresso dell'operazioale è alta posso considerare trascurabili le correnti entranti nei morsetti - e + dell'op e quindi pensare che vd=0?

L'impedenza dei morsetti di ingresso è alta --> vero.
Posso considerare trascurabili le correnti entranti nei morsetti + e - --> generalmente vero
Quindi posso pensare che vd=0 --> falso.
Il fatto che la corrente sia trascurabile non ci dà informazioni sulla tensione differenziale: sono due grandezze praticamente indipendenti. Se la corrente ai morsetti è di pochi nanoampere, nulla ci vieta di avere 20V di tensione differenziale, peraltro del tutto indipendente da quella di modo comune.

Però questo sarebbe valido solo per un op in configurazione non invertente perché in configurazione invertente l'impedenza di ingresso è piccola.

Non è detto. Possiamo realizzare un amplificatore invertente con una impedenza d'ingresso anche di 10 megaohm; la differenza fondamentale sta nel tipo di confronto: confronto in tensione per la topologia noninvertente, confronto in corrente per la topologia invertente.
Le considerazioni sulla tensione differenziale d'ingresso sono poi completamente indipendenti dalla topologia. Puoi avere una topologia invertente o non invertente: se l'opamp non riesce a chiudere l'anello di retroazione può fare due cose: o diventa instabile o satura. A quel punto dimentica pure i concetti di massa equivalente o virtuale (maccheronica traduzione italiana di "virtual").

Obbligatoria la lectio magistralis di IsidoroKZ sul tema: https://www.electroyou.it/forum/viewtopic.php?f=1&t=16478&p=112710#p112710

Curiosità sul concetto di "massa virtuale". Il termine fu coniato dal signor George A. Philbrick, inventore e produttore dei moduli Philbrick dal 1952 (!) al 1971 (doppio "!"), che possiamo considerare i progenitori dell'amplificatore operazionale odierno. I moduli non avevano i morsetti invertente e non invertente, bensì un solo morsetto d'ingresso, a mo' di topologia invertente. Poiché serviva trovare un nome a quel curioso terminale d'ingresso, che non accettava tensioni ma solo correnti, rimanendo di fatto ancorato a un potenziale fisso, la definizione di "virtual ground" (massa assimilata) calzava a pennello.

http://philbrickarchive.org/

È tutto chiato finora? Rispondimi, perché è importante che tu chiarisca bene questi concetti prima di andare avanti. Ti è chiaro al 100% come funziona un amplificatore operazionale e perché è fatto così?

[Greh]

Grazie della spiegazione PietroBaima

[Greh]

È tutto chiato finora? Rispondimi, perché è importante che tu chiarisca bene questi concetti prima di andare avanti. Ti è chiaro al 100% come funziona un amplificatore operazionale e perché è fatto così?

Al 100% no, infatti lo sto iniziando a studiare da poco e so solo come funziona "esternamente" ma non "internamente". Quello che mi hai detto è chiaro e ti ringrazio .
Il concetto di massa virtuale lo trovo abbastanza ingannevole perché parlando di op lineari (non vorrei sbagliare) è come avere un circuito aperto(perché la corrente che entra è considerata nulla, anche se in realtà non è così altrimenti non potrebbe polarizzare i transistor) e un corto circuito(perché non passando corrente o comunque una quantità trascurabile la ddp ai capi della rd collegata tra i morsetti - e + è come se fosse 0V) nello stesso punto.

Quando mi dicevi:

Se la corrente ai morsetti è di pochi nanoampere, nulla ci vieta di avere 20V di tensione differenziale

è un po' come pensare un circuito aperto(o con resistenza infinita) dove la corrente è nulla ma la tensione no?

[brabus]

Sai qual è il problema del concetto di massa virtuale? Il fatto che l'uguaglianza (approssimata!) delle tensioni viene considerata una causa e non un effetto.

L'opamp lavora in modo veramente semplice: prende la tensione differenziale d'ingresso e la moltiplica per un milione. È dunque evidente che per avere tensioni d'uscita dell'ordine del volt devi avere per forza tensioni differenziali minuscole (ma non zero!).

Se tentassimo di imporre due tensioni agli ingressi, facendo lavorare l'opamp in catena aperta, avremmo all'uscita una tensione imprevedibile, a causa del rumore, dell' offset (se non sai cos'è dimmelo), etc.

È dunque evidente che l'unico modo per usare efficacemente un amplificatore operazionale è quello di chiudere la catena, ossia di dare modo alla variabile d'uscita (la tensione, ad esempio) di bilanciare la variabile d'ingresso (la tensione differenziale) tramite la rete di retroazione.

È la retroazione unitamente all'elevato guadagno a far sì che la tensione differenziale, di conseguenza, sia praticamente nulla (non zero, altrimenti se moltiplichi un milione per zero sempre zero ottieni!).

SFRUTTANDO questo vincolo, possiamo semplificare notevolmente l'analisi e la sintesi dei circuiti ad operazionale, approssimando a zero la tensione differenziale agli ingressi.

[Greh]

Di nuovo grazie per le tue chiare e utilissime spiegazioni .
Purtroppo sui libri questo concetto l'ho sempre trovato spiegato velocemente senza approfondimenti, cosa che trovo sbagliata perché è proprio sulle basi che bisogna avere la certezza assoluta, altrimenti oltre a non capire si rischia di peggio: capire in modo sbagliato una cosa e pensare che sia giusta.

offset (se non sai cos'è dimmelo)

Dimmi se sbaglio perché da quello che so è la tensione che ho all' uscita dell'op senza avere un segnale d'ingresso e che mi trasla la transcaratteristica dell'op. Il valore Vio che si legge sul datasheet invece corrisponde alla tensione di offset che devo porre all'ingresso per otterene una Vu=0V.

[brabus]

Bravissimo, è fondamentale aver capito bene questi concetti; poi una volta afferrati sembrano davvero semplici.

Riguardo la tensione di offset, ci hai azzeccato quasi completamente: volendo la si può riferire anche all'uscita, ma tipicamente è la tensione continua di ingresso che si somma al segnale utile; come giustamente hai scritto, è la tensione da porre all'ingresso (meglio: sottratta, invertita di segno!) per avere all'uscita zero volt.
La tensione che misuri all'uscita senza avere segnale in ingresso è a sua volta ottenuta moltiplicando la tensione di offset (riferita all'ingresso - quella del datasheet per intenderci) per il guadagno in catena aperta. Se avessi un Offset di 10uV (microvolt!) e un guadagno dell'opamp in continua di , dovresti vedere all'uscita ben 10V. Sarà in realtà ben difficile vedere questi 10V, poiché saranno sovrapposti al rumore e alle fluttuazioni delle variabili (tieni conto che il guadagno in continua è solamente indicativo!). È dunque più utile rappresentare l'offset riferendolo agli ingressi; conoscendo la tecnologia costruttiva dell'opamp lo si può agevolmente stimare e caratterizzare.

Ultima cosa - domanda trabocchetto: qual è la differenza fra un amplificatore operazionale alimentato a tensione singola e uno alimentato a tensione duale?

[Greh]

Grazie riesci sempre a farmi capire .
Ti vorrei chiedere una cosa:

La tensione che misuri all'uscita senza avere segnale in ingresso è a sua volta ottenuta moltiplicando la tensione di offset (riferita all'ingresso - quella del datasheet per intenderci) per il guadagno in catena aperta. Se avessi un Offset di 10uV (microvolt!) e un guadagno dell'opamp in continua di , dovresti vedere all'uscita ben 10V.

Se però la Val è minore di 10V e se avessi un Offset di 10uV e un guadagno dell'op in continua di non potrei arrivare mai a 10V giusto ma sarà di qualche volt minore?

Ultima cosa - domanda trabocchetto: qual è la differenza fra un amplificatore operazionale alimentato a tensione singola e uno alimentato a tensione duale?

Mmm... Non saprei ma mi viene in mente che alimentato a singola tensione (es solo positiva +15V) ridurrei la dinamica d'uscita perché avrei un range solo di |15V| e non di |30V|

[brabus]

(...) Se però la Val è minore di 10V e se avessi un Offset di 10uV e un guadagno dell'op in continua di non potrei arrivare mai a 10V giusto ma sarà di qualche volt minore?

Esatto! Vai praticamente a "sbattere" contro il limite massimo di tensione ammesso all'uscita. Per molti operazionali parliamo di ~2V al di sotto della tensione di alimentazione (quindi 8V con alimentazione a 10V ad esempio), ed è dunque difficile stabilire se stiamo davvero generando 8V oppure stiamo sbattendo contro il rail.

Altra cosa sono gli opamp RRO (Rail-to-Rail Output), disegnati appositamente per poter erogare tensioni nell'intero intervallo di alimentazione, o con cadute molto piccole.
Altra cosa sono operazionali come l'LM358, che escono di collettore e quindi possono erogare tensioni molto vicine al rail negativo d'alimentazione (può anche essere semplicemente lo 0V).

Ultima cosa - domanda trabocchetto: qual è la differenza fra un amplificatore operazionale alimentato a tensione singola e uno alimentato a tensione duale?

Mmm... Non saprei ma mi viene in mente che alimentato a singola tensione (es solo positiva +15V) ridurrei la dinamica d'uscita perché avrei un range solo di |15V| e non di |30V|

Ci sei quasi. E se alimentassi a +/-15V in un caso e a soli +30V nell'altro? Cosa cambierebbe per l'opamp?

[Greh]

Ci sei quasi. E se alimentassi a +/-15V in un caso e a soli +30V nell'altro? Cosa cambierebbe per l'opamp?

Mi viene in mente che in entrabi i casi avrei una dinamica d'uscita di |30V| solo che nel primo caso avrei anche valori di tensione negativi (da -15V a +15V o quasi se ho un op RRO o qualche volt in meno es 2V in meno altrimenti) mentre nel secondo avrei solo una dinamica positiva e quindi non potrei avere valori di tensione d'uscita negativi (ma solo da 0V a 30V o quasi se ho op RRO o di qualche volt meno altrimenti).
Mi viene in mente che questa domanda magari me l'hai fatto dopo avermi spiegato l'offset appunto perché in quest'ultimo caso potrei usarlo per trasalre in basso la dinamica d'uscita e avere così valori della tensione d'uscita sia positivi che negativi come nel primo caso. Addirittura se usassi un'alimentazione di solo +30V
e avessi un offset di es -15uV e guadagno dell'op in continua di avrei sommato alla Vu una offset di -15V che mi traslerebbe in basso la dinamica d'uscita e avrei la stessa condizione del primo caso.
Ho un po' fantasticato quindi potrei avere sbagliato

[brabus]

Rieccomi!

La risposta è: l'amplificatore operazionale non sa di essere alimentato a tensione singola o duale.

Osserva bene: lui ha solamente due terminali d'alimentazione, non ha alcuna possibilità di sapere quale alimentatore stai utilizzando per dargli il soffio vitale.

Ricorda bene: all'opamp interessa solamente la tensione di modo comune agli ingressi.