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Elaborazione dei segnali analogici: filtri a risonanza LC e op-amp ideale

Un segnale analogico cambia in modo continuo. Lo elaboriamo in due modi principali: un circuito LC sceglie una sola frequenza (è un filtro), mentre un amplificatore operazionale (op-amp) ingrandisce molto una piccola differenza di tensione. Il circuito LC risuona a f₀ = 1/(2π√LC). Il fattore di qualità Q = f₀/Δf dice quanto è stretto il picco. Un op-amp ideale ha guadagno ad anello aperto infinito, resistenza d'ingresso infinita, resistenza d'uscita nulla e banda infinita.

🎬 Storia passo dopo passo

  1. Un condensatore (C) è carico. Tutta l'energia sta nel suo campo elettrico, mostrato dal blocco giallo tra le armature.
  2. Il condensatore si scarica attraverso la bobina (L). L'energia passa nel campo magnetico della bobina (verde) e poi torna indietro. Oscilla come un pendolo.
  3. Mandiamo segnali di tante frequenze. Le barre mostrano l'uscita. La barra più alta è alla frequenza di risonanza f₀ = 1/(2π√LC). Questo è un filtro: lascia passare una sola banda.
  4. Alza Q (meno energia persa). Il picco diventa più alto e più stretto. Le barre arancioni sono dentro la banda Δf, dove l'uscita è ≥ 0.707 del picco.
  5. Un op-amp ideale (triangolo viola) ha due ingressi, V₊ e V₋. La sua uscita è Vout = A(V₊ − V₋), con un guadagno A enorme. Senza retroazione funziona da comparatore.
  6. Gioco libero: cambia L, C e Q. Un L o un C più grande abbassa f₀. Guarda l'energia che passa avanti e indietro e il picco che si sposta.

Suggerimento: trascina la scena 3D per ruotarla. Usa due dita per zoomare.

🤔 Dubbi comuni, chiariti

Perché l'energia continua a passare tra C e L?

Quando C si scarica, scorre corrente e il campo magnetico della bobina si oppone a ogni cambiamento, quindi la corrente continua e carica C nel verso opposto. Poi si ripete.

Perché il circuito LC sceglie una sola frequenza?

A f₀ gli effetti della bobina e del condensatore si annullano, quindi il circuito risponde con più forza. Lontano da f₀ uno dei due blocca il segnale.

Che c'entra 0.707 con la larghezza di banda?

0.707 = 1/√2. A quella tensione la potenza è la metà della potenza di picco. La larghezza di banda è l'intervallo di frequenze sopra quella linea (barre arancioni).

Perché l'uscita dell'op-amp resta bloccata a +12 V o −12 V?

Il guadagno è così enorme che anche una piccola differenza chiede una tensione enorme, ma il chip non può dare più della sua alimentazione. Quindi satura.

Un condensatore più grande alza o abbassa la frequenza di sintonia?

La abbassa, perché f₀ = 1/(2π√LC). Provalo con il cursore di C.

Che cos'è l'elaborazione dei segnali analogici?

Un segnale analogico è una tensione che può assumere qualsiasi valore e cambia in modo continuo, come la tensione che esce da un microfono. Elaborare vuol dire modificarlo in modo utile: scegliere alcune frequenze (filtrare) oppure renderlo più grande (amplificare).

Due strumenti fondamentali: il filtro a risonanza LC e l'amplificatore operazionale.

Filtri a risonanza LC

Un induttore (bobina, L) e un condensatore (C) collegati insieme formano un circuito LC. L'energia va avanti e indietro: campo elettrico in C → campo magnetico in L → di nuovo in C. Questo si chiama oscillazione.

Oscilla da sola alla frequenza di risonanza:

f₀ = 1 / (2π√(LC))

Se arrivano segnali di molte frequenze, il circuito dà un'uscita grande solo vicino a f₀. Quindi funziona da filtro passa-banda (un sintonizzatore).

Perdita di energia e smorzamento

La resistenza del filo trasforma un po' di energia in calore a ogni ciclo. L'oscillazione si spegne piano piano (smorzamento). Più resistenza = picco più piatto e più largo.

Fattore Q e larghezza di banda

La larghezza di banda Δf è la larghezza del picco dove la tensione di uscita è almeno 1/√2 ≈ 0.707 del massimo (i punti di metà potenza). Il fattore di qualità è Q = f₀ / Δf. Un Q alto significa un picco stretto e netto: il filtro è molto selettivo.

L'amplificatore operazionale ideale

Un op-amp è un chip con due ingressi: non invertente (V₊) e invertente (V₋). La sua uscita è

Vout = A₀ (V₊ − V₋)

dove A₀ è il guadagno ad anello aperto (il guadagno senza retroazione).

Proprietà di un op-amp ideale

L'op-amp come comparatore

Senza retroazione, anche una differenza minuscola viene moltiplicata moltissimo, quindi l'uscita salta all'alimentazione positiva o negativa (va in saturazione). Se V₊ > V₋ l'uscita è +Vs; se V₊ < V₋ è −Vs. Così si confrontano due tensioni, per esempio un sensore di luce che accende un lampione.

Prova: senti la risonanza su un'altalena

Spingi un bambino su un'altalena. Se spingi al ritmo proprio dell'altalena, sale sempre più in alto; se spingi a caso, si muove appena. Questa è la risonanza. Nel 3D imposta L = 5 e C = 5, poi L = 20 e C = 20, e guarda f₀ scendere.

Formule e definizioni chiave

Esempi svolti

1. Trova f₀ per L = 10 mH e C = 10 nF.

LC = 0.010 × 10×10⁻⁹ = 1×10⁻¹⁰. √LC = 1×10⁻⁵. f₀ = 1/(2π × 10⁻⁵) ≈ 15 900 Hz ≈ 15.9 kHz.

2. Un sintonizzatore ha f₀ = 1.0 MHz e larghezza di banda 20 kHz. Trova Q.

Q = f₀/Δf = 1 000 000 / 20 000 = 50.

3. Ti serve f₀ = 1.0 kHz con C = 100 nF. Quale L ti serve?

L = 1/(4π²f₀²C) = 1/(4π² × 10⁶ × 10⁻⁷) = 1/3.95 ≈ 0.25 H.

4. Un comparatore con op-amp ha alimentazione ±12 V e A₀ = 10⁵. V₊ = 2.001 V, V₋ = 2.000 V. Trova Vout.

A₀(V₊ − V₋) = 10⁵ × 0.001 = 100 V. È più di 12 V, quindi l'uscita satura a +12 V.

5. Se C diventa 4 volte più grande, che cosa succede a f₀?

f₀ ∝ 1/√C, quindi f₀ diventa 1/√4 = 1/2 del valore di prima.

6. Un op-amp ha A₀ = 2×10⁵ e l'uscita è 6 V (non satura). Quanto vale V₊ − V₋?

V₊ − V₋ = Vout/A₀ = 6 / (2×10⁵) = 3×10⁻⁵ V = 30 μV. Quasi zero, ed è per questo che si dice V₊ ≈ V₋.

Errori comuni

Quiz di allenamento

1. La frequenza di risonanza di un circuito LC è:
2. Se Q aumenta, la larghezza di banda:
3. Un op-amp ideale ha resistenza d'ingresso:
4. In un circuito LC, quando il condensatore è completamente carico, la corrente è:
5. Un op-amp senza retroazione con V₊ > V₋ dà:

Esercizi: rispondi da solo

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Domande frequenti

Che cosa fa un filtro LC?

Lascia passare i segnali vicini alla sua frequenza di risonanza f₀ = 1/(2π√LC) e indebolisce gli altri. Le radio lo usano per scegliere una stazione.

Che cos'è il fattore Q?

Q = f₀/Δf. Dice quanto è stretto il picco di risonanza. Un filtro con Q alto seleziona una banda di frequenze molto stretta.

Perché la corrente d'ingresso di un op-amp ideale è zero?

La sua resistenza d'ingresso è infinita, quindi nessuna corrente può entrare negli ingressi. Gli op-amp reali assorbono solo da picoampere a nanoampere.

Dove si studia

England (GCSE, A level)Year 133.13 Electronics

Da studiare prima

Da studiare dopo

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