Amplificatori Operazionali

1. Amplificatori Operazionali teoria, parametri, configurazioni, applicazioni e circuiti tipici insomma… tutto sugli Op Amp!

2. Indice Amplificatori Operazionali Indice generale 1 - Generalità 2 - Le configurazioni di base (con simulazioni) 3 - OpAmp ideali e reali (i parametri dei fogli tecnici) è possibile accedere a ciascuna sezione con un click sul testo

3. Indice 3a sezione è possibile accedere direttamente ad uno specifico argomento con un click sul testo, oppure premere Pag per continuare nell’ordine Amplificatori Operazionali Indice 3a sezione 3 - OpAmp ideali e reali 3.1 - i parametri dei fogli tecnici 3.2 - i valori massimi assoluti 3.3 - il guadagno a catena aperta 3.4 - la tensione di offset 3.5 - resistenza e corrente d’ingresso 3.6 - il CMRR 3.7 - il segnale d’uscita 3.8 - lo slew-rate

4. 3 - Op Amp ideali e reali I fogli tecnici iniziano fornendo alcuni dati generali, quali le principali caratteristiche, le indicazioni d’impiego, il contenitore, le versioni disponibili, la piedinatura e lo schema interno. 3.1 - I parametri dei fogli tecnici I parametri che caratterizzano un operazionale reale vengono fornitidal costruttore nei fogli tecnici (data sheets) in duplice forma:tabelle e grafici.Nelle tabelle vengono inseriti i valori tipici o quelli limite, mentre nei grafici vengono evidenziate le possibili variazioni dei parametri stessi. I parametri forniti sono moltissimi, alcuni fondamentali e altri utili solo per determinate applicazioni. Per la maggior parte degli impieghi, infatti, un operazionale può essere ritenuto ideale. Fra i molti parametri forniti, analizzeremo qui di seguito i più importanti, considerando sia i valori indicati in tabella, sia le loro variazioni evidenziate dai grafici.

5. 3 - Op Amp ideali e reali In questa tabella vengono indicati i seguenti limiti: Parametro simbolo valore Tensione di alimentazione VCC ±18 V Tens. d’ingresso differenziale VID ±30 V Tens. d’ingresso modo comune VICR ±15 V Corrente d’uscita di cortocirc. IOS ±5 mA Potenza dissipabile PD 0.5 W Temperatura ambiente TA 0 - 70 °C Temperatura di immagazzinam. TSTG -65 +150 °C Quelli qui riportati sono i valori limite della maggior parte degli Op Amp, anche se possono differire notevolmente da un dispositivo all’altro. 3.2 - I valori massimi assoluti La prima tabella che compare nel foglio tecnico contiene i valori massimi assoluti, ovvero quelli che non vanno superati, pena il danneggiamento del circuito interno dell’amplificatore. Fra i parametri-limite indicati, assume particolare importanza anche la tensione minima di alimentazione, oggi fondamentale per tutte le applicazioni portatili alimentate a batteria nonché per le schede dei PC, che operano a tensioni sempre più basse. Nelle tabelle successive sono riportati i parametri tipici. Essi differiscono da quelli fin qui considerati per l’operazionale ideale. Vediamo come.

6. 3 - Op Amp ideali e reali Parametro simbolo ideale reale Guadagno a catena aperta AVOL infinito 105 (100 dB) Resistenza d’ingresso RI infinita 1 Mohm Resistenza d’uscita RO nulla 100 Ohm Reiezione di modo comune CMRR infinita 104 (80 dB) Banda passante a catena aperta BW infinita 100 Hz Vediamo in dettaglio che cosa significano questi parametri, come vanno interpretati e che importanza pratica hanno nelle applicazioni reali. torna all’indice 3.3 - Guadagno a catena aperta Si definisce “guadagno di tensione a catena aperta” (AVOL) l’amplificazione che il circuito interno dell’operazionale applica sul segnale d’ingresso, indipendentemente dalla rete resistiva esterna, e quindi rappresenta in pratica il rapporto fra le ampiezze dei due segnali d’uscita e d’ingresso. Il guadagno AVOL deve essere il più elevato possibile, e ciò al fine di non influenzare il valore del guadagno a catena chiusa Av, ovvero quello determinato dall’utente con una rete resistiva. E’ quindi ovvio che, se AVOL non è infinito, il valore del guadagno impostato dall’utente non è più quello desiderato, bensì un po’ inferiore. L’errore che si compie è tanto più grande quanto maggiore è il guadagno reazionato Av, impostato con i resistori.

7. 3 - Op Amp ideali e reali Qui vediamo come il guadagno del µA741 varia con la tensione di alimentazione, e passa dai 35 V/mV con ±2V di VCC fino a ben 300 V/mV con ±20V di alimentazione Ad esempio, se il guadagno AVOL è 105, l’errore ottenuto è pressoché nullo per guadagni Av bassi (fino a 10), mentre diviene dello 0.1% per Av = 100 e dell’1% per Av = 1000.Ciò condiziona tutte le applicazioni di precisione. Il guadagno può venir espresso come valore assoluto (ad esempio 105),come rapporto V/mV (105 = 100 V/mV) o in decibel (105 = 100 dB). Dai fogli tecnici si vede, però, che il guadagno AVOL non è una costante, bensì può variare con alcuni parametri, come è evidenziato dai grafici mostrati di seguito. Ciò significa che se la VCC non è stabile, insorge una distorsione di ampiezza nel segnale d’uscita. Si noti inoltre che il grafico precisa RL= 2Kohm, e infatti il guadagno diminuisce con l’aumentare della corrente d’uscita.

8. 3 - Op Amp ideali e reali In questo grafico dell’HA2520 si vede come il guadagno - oltre che dalla tensione - dipende dalla temperatura. Ad esempio, nell’Op Amp TL081 il guadagno scende da 2·105 a 10Hz fino a solo 10 a 500KHz! Ciò significa che in un’apparecchiatura, dall’istante dell’accensione fino a regime, variano i parametridi funzionamento (valore di zero, di fondo scala, ecc) Il guadagno a catena aperta AVOL subisce una diminuzione all’aumentare della frequenza del segnale applicato, e ciò a causa di un condensatore realizzato internamente al circuito integrato. Ciò significa che per amplificare un segnale audio(fino a 20KHz) non si può superare un guadagno di 100!

9. 3 - Op Amp ideali e reali Come di vede qui a sinistra per l’Op Amp HA2520, il prodotto guadagno-larghezza di banda può infatti variare in funzione della tensione di alimentazione e della temperatura ambiente. Accanto all’andamento del guadagno, il costruttore fornisce anche il diagramma di Bode della fase, riportato qui a lato nel caso del µA741. Dall’ultimo grafico visto si può notare che il guadagno diminuisce con una pendenza costante di 10 dB/decade, per cui si ha che il prodotto guadagno-larghezza di banda (AVOL·BW) è in realtà una costante, ed equivale anche alla frequenza per la quale Avol diviene unitario. Questo prodotto - utile per valutare la massima frequenza di lavoro dell’operazionale nonché il suo guadagno - non è però una costante, ma può variare con molti parametri. torna all’indice

10. 3 - Op Amp ideali e reali Essa viene chiamata “tensione di offset” VIO, ed è pari ad alcuni millivolt. Alcuni operazionali dispongono di appositi pin per l’azzeramento dell’offset. 3.4 - Tensione di offset Se si cortocircuitano fra di loro gli ingressi di un operazionale, l’uscitadovrebbe essere nulla ma, a causa della non completa simmetricitàdel circuito interno, ciò non succede, e in uscita si misura una tensione. Poiché questa tensione dipende dal guadagno Av impostato dall’utente, il costruttore non può indicarla nei fogli tecnici, per cui fornisce il valore della tensione che, applicata agli ingressi, permette di riportare a zero la tensione d’uscita. Tale azzeramento è importante, poiché a causa dell’elevato valore del guadagno, una VIO (non azzerata) anche solo di pochi millivolt è sufficiente a portare in saturazione l’uscita dell’operazionale (VO = +VCC oppure -VCC). E’ importante conoscere non solo il valore dell’offset, ma anche la sua deriva termica, poiché essa può compromettere le applicazioni di precisione nonché la strumentazione elettronica. Viene definita anche una “corrente di offset” IIO, definita come la corrente che è necessario applicare agli ingressi per azzerare l’uscita; normalmente vale alcune decine di nA.

11. 3 - Op Amp ideali e reali Parametro simbolo bipolari J-Fet Cmos Resistenza d’ingresso RI 1 Mohm 1 Gohm 1 Tohm Corrente d’ingresso IB 1 µA 1 nA 1 pA Si noti come la corrente d’ingresso subisca derive termiche opposte per gli Op Amp bipolari (a sinistra il µA741) e Fet-input (a destra il TL081). 3.5 - Resistenza e corrente d’ingresso L’amplificatore operazionale è costruito in modo da presentare una resistenza d’ingresso pressoché infinita. In realtà non è così, ed il costruttore indica sui fogli tecnici il valore della resistenza d’ingresso Rin e della corrente d’ingresso (o di “bias”) IB. torna all’indice

12. 3 - Op Amp ideali e reali Il CMRR dipende però fortemente dalla frequenza del segnale applicato, come si può vedere in questo grafico fornito per il µA741. Ciò è dovuto alla presenza di una componente capacitiva nel circuito dell’operazionale. 3.6 - Il CMRR Proprio poiché l’operazionale è progettato per amplificare la differenza fra le due tensioni d’ingresso, esso non deve amplificare le “tensioni di modo comune”, ovvero riferite a massa. Esiste quindi un parametro, detto “rapporto di reiezione di modo comune”o CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) che esprime il rapporto fra l’amplificazione dei segnali differenziali e quelli di modo comune. in formule: CMRR = Ad / Ac dove Ad è il guadagno differenziale e Ac quello di modo comune. Il CMRR deve quindi essere il più elevato possibile: in pratica va dai 70 ai 90 dB per i dispositivi più comuni.

13. 3 - Op Amp ideali e reali Il segnale d’uscita, infatti, può al massimo raggiungere la tensione di alimentazione meno la tensione di saturazione dei transistor d’uscita nonché la caduta sui resistori di limitazione della corrente d’uscita. Proprio a causa dei resistori di limitazione, lo swing d’uscita VOM è fortemente condizionato anche dalla resistenza di carico, come qui mostrato per il µA741. 3.7 - Il segnale d’uscita Abbiamo detto che se l’operazionale è a catena aperta (oppure se l’utente gli conferisce un guadagno elevato), è facile che tensioni d’ingresso anche di pochi millivolt siano in grado di portare l’uscita in saturazione. Il costruttore definisce a questo proposito qual è l’ampiezza ottenibile in uscita senza provocare una distorsione d’ampiezza o addirittura un “clipping” del segnale. Questa escursione massima (detta anche “swing”) è ovviamente funzione dell’alimentazione.

14. 3 - Op Amp ideali e reali In alternativa all’andamento VOM/RL viene fornito l’andamento della VOM in funzione della corrente d’uscita IO, da cui si nota la dipendenza dalla temperatura. Si noti inoltre, dal grafico qui a lato per l’LF411, che la resistenza d’uscita cresce all’aumentare della frequenza e all’aumentare del guadagno Av. Si può quindi dedurre che un operazionale, per poter evidenziare la massima escursione della tensione d’uscita, deve erogare una corrente d’uscita la più ridotta possibile. Ciò significa che lo swing d’uscita è maggiore per bassi guadagni, e in alta frequenza le capacità interne limitano la tensione picco-picco sul carico. torna all’indice

15. 3 - Op Amp ideali e reali La conseguenza di questo fenomeno è che un’onda quadra viene trasformata in trapezoidale, ed una sinusoidale in triangolare. segnale d’ingresso segnale d’uscita, limitazione dovuta allo slew-rate In altri termini, esiste un limite preciso alla massima frequenza di un segnale correttamente amplificabile dall’operazionale, pena la sua pesante distorsione o addirittura la limitazione di ampiezza, come si può vedere dal grafico qui fornito per il µA741, dove a 20 KHz il segnale d’uscita è dimezzato rispetto a 1 KHz! 3.8 - Slew-rate Lo “slew rate” (SR) rappresenta la massima velocità di variazione del segnale d’uscita di un operazionale (dv/dt), ed è condizionato dalle capacità parassite interne. Esso è espresso in Volt/µsec e viene misurato applicando un segnale a gradino all’ingresso. Ciò costituisce una seria limitazione alla banda passante, soprattutto se l’uscita deve riprodurre segnali di elevata ampiezza.

16. 3 - Op Amp ideali e reali 10KHz 20KHz 100KHz La conseguenza si può vedere nell’oscillogramma qui sopra riportato, che mostra come, all’aumentare della frequenza, si osservi una sensibile riduzione dell’ampiezza del segnale d’uscita. Lo slew-rate è funzione della temperatura (come si vede qui a lato per l’LF441) e inoltre, com’è ovvio, della tensione di alimentazione nonché del carico, soprattutto se capacitivo! torna all’indice