Dopo la simulazione dei transistor, è naturale passare all'impiego di MicroCap nella simulazione delle configurazioni circuitali degli amplificatori operazionali. Il loro guadagno praticamente infinito, li rende preziosi in tutte quelle applicazioni che richiedono un'elaborazione di tipo matematico (confronti, cioè  > o <, somme, moltiplicazioni per una costante, ecc.). Non è però sempre agevole dal semplice schema, comprendere le funzioni svolte, quindi la simulazione ne chiarisce il comportamento e permette una facile "messa a punto" dei vari parametri.

 Cominciamo dal classico comparatore (ad es. LM339): una grandezza variabile nel tempo viene confrontata con un "valore di soglia" stabilito e viene prodotto un segnale a "tutto-o-niente" che indica se questa soglia è stata superata.

 Il circuito è semplice:

Per disegnare l'LM339:  Component/Analog Library/Comparator/LM111-/LM339_IT

Un'alimentazione  V1 (qui a 5V) alimenta un partitore a resistenze (qui uguali, quindi il potenziale del nodo2 è 2.5V) e l'amplificatore. Un generatore di segnale, V2, programmato per generare un andamento variabile nel tempo, fornisce il segnale da controllare. (la programmazione di V2 è simile a quanto già visto nell'esempio dell'amplificatore di corrente, con un andamento a spezzata i cui vertici sono stabiliti dalla coppia di valori nel campo PWL).

L'analisi transitoria, dopo aver fissato i parametri del grafico, ci permette di ottenere l'andamento del segnale d'uscita (nodo4, traccia rossa), in funzione del segnale controllato (nodo1, traccia blu)

Come si vede, la commutazione dell'uscita avviene sempre in corrispondenza della soglia (2.5V).

L'amplificatore LM339,ora visto, richiede una sola alimentazione ma normalmente gli amplificatori operazionali richiedono 2 alimentazioni simmetriche (ad es. +15V e –15V), per poter svolgere elaborazioni sia nel quadrante positivo, che negativo. E' questo il caso  del noto LM741 (alimentato qui da V1 e V2 a 12V), che possiamo ad es. vedere in configurazione sommatrice :

Supponendo infatti di voler sommare tra loro le tensioni dei generatori V3 e V4 (rispettivamente una tensione sinusoidale a 50Hz, e l'altra a 150Hz), queste vengono applicate attraverso R2 ed R3 all'ingresso invertente del 741, a cui fa capo anche R1, cioè la retroazione. L'equilibrio dell'uscita (nodo3) è dato dalla somma (con segno invertito) degli ingressi.

Con MicroCap è quindi facile disegnare il circuito ed ottenere, con l'analisi transitoria, il grafico  corrispondente.

E' importante sottolineare che la configurazione con reazione (R1) permette anche di variare il rapporto fra ingressi ed uscita, cioè di eseguire una moltiplicazione per una costante. Si invita pertanto a cambiare il valore di R1 per vederne gli effetti.

 Una particolare configurazione di grande importanza fra le applicazioni degli amplificatori operazionali e che rappresenta un generatore di onda quadra, è la seguente:

(per semplificare la figura le alimentazioni VC e VE sono sottintese e fissate a 12V).

 L'amplificatore X1 è un 714, e V3 è una tensione di polarizzazione che serve a variare il rapporto impulso/pausa (con polarizzazione = 0 si ha un'onda quadra). Il periodo di oscillazione è determinato da R3C1, ma è influenzato anche da R1,R2 e V3. E' quindi interessante vedere con la simulazione gli effetti provocati dalla variazione dei singoli componenti.

Si lascia questa ricerca al lettore che, a questo punto, dovrebbe già conoscere le  principali procedure di Microcap necessarie. Si suggerisce soltanto che nell'analisi transitoria l'impostazione del tempo di prova (Time Range) si tenga conto di un periodo iniziale prima che l'oscillatore vada a regime.

Per un maggior orientamento, vengono qui riportate le forme d'onda ricavate con i parametri mostrati in figura, variando però V3 da –10V, a 0V, a +10V

Si vede nettamente la "modulazione" del rapporto impulso/pausa operata da V3: con un ulteriore stadio comparatore che commuti sullo zero, si avrebbe quindi la possibilità di variare il valore medio della tensione d'uscita (pilotando ad es. dei MOSFET di potenza per alimentatori cosiddetti "switching").

Risposta in frequenza

Abbiamo visto gli amplificatori operazionali come elaboratori o generatori di funzioni nel tempo. Vedremo ora applicazioni in cui è importante il comportamento nel dominio delle frequenze. MicroCap è particolarmente adatto a questa analisi, avendo già tutto quello che serve a rappresentare graficamente diagrammi di Bode o di Nyquist.

Iniziamo dal semplice filtro passa-basso, la cui configurazione è:

Iniziando da X1 (LM741), si piazzano R1,R2 e C1 (che determinano la "frequenza di taglio" del filtro, con R2  uguale ad R1 per un guadagno unitario) ed infine G3 (generatore di onda sinusoidale, impostato ad 1V, 1Hz). La frequenza di taglio è :  1/( 2π.R.C) quindi, nel nostro caso, 1/(2π.10.10³.1.10^-6) = ca 16Hz.

Esaminiamo quindi la "risposta alla frequenza" di questo circuito, utilizzando l'analisi in alternata

(Analysis/AC…)

Ed infine con Run:

Per vedere il filtro in azione, si suggerisce di costruire una configurazione che unisca quanto visto precedentemente nella somma (una sinusoide a 50Hz, sommata ad una di 150Hz) ed un filtro di questo tipo, ma tarato su una frequenza di taglio di 100Hz: con un'analisi transitoria (quindi nel tempo) si dovrebbe vedere in uscita del filtro praticamente la sola fondamentale (50Hz), risultando "filtrata" la terza armonica (150Hz). Si evidenzia che questa configurazione può rappresentare anche la risposta in frequenza di una costante di tempo. Quindi può essere utilizzata come simulazione di un sistema inserito in un anello di regolazione.

E' comunque evidente che MicroCap consente di esaminare il comportamento di qualsiasi configurazione di filtri, perciò non sembra il caso di sviluppare specificatamente esempi di passa-alto, passa-banda o arresta-banda, così come configurazioni ordine superiore (si cita solo l'esempio di filtro di Chebyshev, perché già presente come Demo : File/Open/FILTER). Si consiglia tuttavia di provare variare configurazione e parametri (la cosa è semplicissima, come ormai dovrebbe essere chiaro), per una più approfondita conoscenza "pratica" del comportamento di questi. Il solo studio teorico-matematico non dà infatti questa comprensione.

Si ritiene invece utile mostrare un'altra importantissima configurazione (spesso non sufficientemente evidenziata nei testi scolastici): il regolatore PID, che riunisce il comportamento proporzionale (moltiplicazione per una costante) a quello integratore (reazione capacitiva) ed a quello derivativo (ingresso capacitivo). Le 3 azioni si intersecano, influenzandosi a vicenda, per cui non è sempre agevole comprendere l'effetto della variazione di un singolo parametro. Il risultato è un tipico andamento "a sella" che compensa le costanti di tempo del sistema controllato.

MicroCap aiuta molto in questo, mostrando immediatamente sul diagramma di Bode come cambia questa risposta.

Il PID è il tipo di regolatore più diffuso nel mondo, tuttavia la sua "messa a punto" (cioè la corretta assegnazione dei parametri) non è certo cosa semplice e naturalmente deve tener conto delle costanti di tempo del sistema controllato. Per chi volesse approfondire l'argomento dell'assegnazione dei parametri del PID, per l'ottimizzazione delle prestazioni del sistema controllato, potrebbe essere utile la consultazione del seguente programma (in VisualBasic, richiede VBRUN300.dll): http://www.schgor.com/eseg/OAREG.exe