Amplificatori operazionali estremi

Le specifiche degli amplificatori operazionali si sono spinte ben oltre i limiti dei primi modelli. Una breve rassegna di alcuni AmpOp "estremi".

Apex PA107

L’amplificatore operazionale è uno degli elementi basilari utilizzati nei circuiti analogici. Da quando gli amplificatori operazionali sono stati introdotti nel 1960, ne sono stati sviluppati migliaia di tipi diversi, alcuni di grande successo altri meno. Se chiedete a un esperto di elettronica di nominare alcuni amplificatori operazionali, quasi certamente ricorderebbero l’LM324, il TL072, il NE5534, l’LM358 e, naturalmente, il capostipite di tutti, il μA741.

Ai non addetti queste sigle forse non significano molto: basti sapere che si tratta di componenti generici che si possono acquistare ovunque e utilizzare nelle applicazioni più comuni. Al di là di questi componenti “di base”, è possibile reperire amplificatori operazionali più sofisticati che migliorano una o più specifiche, a volte di ordini di grandezza. Ma quali progressi ha compiuto l’amplificatore operazionale in questi anni? Qui faremo una breve rassegna di amplificatori operazionali “estremi”. In particolare, ci riferiremo ad amplificatori operazionali integrati, aventi ingresso di tensione differenziale, accoppiamento in CC e guadagno elevato adatti ad essere utilizzati in configurazioni retroazionate.

Numero di canali

I primi amplificatori operazionali integrati, a partire dal μA702 del 1963, offrivano solo un amplificatore all’interno del singolo chip. Dal 1970, tuttavia, divennero popolari gli amplificatori operazionali dual e quad sono diventati popolari, in gran parte rivolti ai progettisti di filtri attivi. Questi sono oggi ampiamente disponibili; vengono prodotti anche chip a triplo amplificatore operazionale e disponibile è anche il NJM2710, che è un amplificatore operazionale a sei canali.

NJM2710
Pinout of a NJM2710. Credit Nisshinbo Micro Devices Inc.

Il maggior numero di amplificatori operazionali integrati in un singolo chip è stato otto: sono stati prodotti i modelli EL5811, TL084x2 o anche l’LM324x2, tutti amplificatori operazionali ottali. Essi tuttavia non incontrarono il favore del mercato in quanto l’accoppiamento di 2 amplificatori operazionali Quad si è rivelata una scelta migliore per la sua maggior flessibilità.

Consumi energetici

Il classico μA741 consuma circa 1,7 mA in una tipica applicazione. I progettisti sono riusciti a ridurre notevolmente tali consumi: ad esempio, l’OPA171 che risulta compatibile con il 741, ha prestazioni migliori in quasi tutte le specifiche (larghezza di banda, slew rate, rumore, offset) pur consumando meno di 0.5 mA. I progressi nella produzione di semiconduttori e nuove tecniche progettuali hanno permesso un rapporto prestazioni/potenza migliore di quanto fosse possibile nel 1960.

Sono infatti stati realizzati amplificatori operazionali a bassissima potenza (ultra-low power), che consumano meno di un μA. Un esempio è l’LPV801, che consuma tipicamente 450 nA.

L’amplificatore operazionale più “risparmioso” oggi sul mercato è l’NJU77000, che presenta un consumo massimo pari a 290 nA. Per meglio valutare questa eccezionale prestazione, consideriamo che una tipica batteria a bottone CR2032 ha una capacità di circa 220 mAh, il che significa che potrebbe teoricamente alimentare un NJU77000 per 86 anni ( nella realtà, ovviamente, il processo di autoscarica esaurirà la batteria molto prima. In altri campi, le specifiche di questo amplificatore operazionale non sono eccezionali: la larghezza di banda, ad esempio, è di massimo 1 kHz, troppo bassa per elaborare segnali audio, ma più che sufficiente per circuiti a lenta dinamica come certi sensori.

Corrente di uscita

Al polo opposto, abbiamo gli amplificatori operazionali di potenza in grado di fornire grandi correnti al carico. Il classico L272, che viene spesso utilizzato come driver per i motore, può fornire fino a 1 A su ciascuno dei suoi due canali. Anche in questo caso la tecnologia è progredita e oggi sono disponibili gli OpAmp PA50 e PA52 prodotti da Apex Microtechnology. Questi amplificatori operazionali possono fornire 40 A continui e 80 A per brevi periodi. Essi si presentano come un singolo componente (anche se piuttosto grande), ma al loro interno non sono a chip singolo, ma a moduli ibridi: un insieme di circuiti integrati e transistor discreti direttamente montati su un comune substrato.

Apex PA52
Apex PA52. Credits Apex Microtechnology

Naturalmente questi “campioni” hanno un prezzo elevato pari a qualche centinaio di dollari. Per esigenze di corrente maggiori di quella che il tuo amplificatore può fornire, potrebbe essere molto più economico progettare un circuito di boost di uscita utilizzando transistor di potenza discreti.

Tensione di alimentazione

Negli anni ’70, la maggior parte degli amplificatori operazionali funzionava con tensioni di alimentazione piuttosto grandi: ±15 V era lo standard. Oggi, nell’epoca di Arduino, questo è decisamente eccessivo, e molti amplificatori operazionali moderni funzionano tranquillamente a 3,3 V o anche meno.

All’estremo opposto, esistono anche amplificatori operazionali che possono funzionare a più di 100 V; L’LTC6090 e l’ADHV4702, ad esempio, funzionano rispettivamente a 140 V e 220 V. Il campione in questa categoria è il PA99 di Apex: questo amplificatore operazionale opera con 2500 V ai suoi pin di alimentazione. Può fornire 50 mA in uscita e presenta un prodotto guadagno-larghezza di banda (GBW) di 28 MHz. Al pari dei modelli ad alta corrente, è un chip molto costoso, intorno ai mille dollari: il mercato principale è quello degli strumenti scientifici e delle apparecchiature industriali che utilizzano attuatori piezoelettrici o la deflessione elettrostatica.

Larghezza di banda

Se osserviamo la risposta in frequenza ad anello aperto di un amplificatore operazionale, vedremo che il suo guadagno è alto (più di 100 dB) alle basse frequenze, scendendo poi con una certa pendenza. La frequenza alla quale il guadagno inizia a scendere, viene detto punto -3 dB; in questo punto il guadagno ha raggiunto circa il 70% del suo valore DC. Il guadagno successivamente continua a scendere di 20 dB per decade fino a raggiungere zero dB alla frequenza di guadagno unitario (zero dB significa guadagno unitario).

Per tradurre questo concetto in pratica, questo significa che se si configura la rete di feedback in modo che l’amplificatore totale abbia un guadagno pari a uno, la larghezza di banda di questo circuito sarà la frequenza di guadagno unitario. Se lo imposti per un guadagno di due, avrà metà della larghezza di banda. Un guadagno di dieci si tradurrà in un decimo della larghezza di banda e così via. Poiché il prodotto del guadagno e della larghezza di banda è sempre lo stesso, la frequenza di guadagno unitario è anche chiamata prodotto guadagno-larghezza di banda (GBW).

La maggioranza degli amplificatori operazionali per uso generico può essere utilizzata a qualsiasi guadagno ad anello chiuso. Questa flessibilità ha però un prezzo: la frequenza di guadagno unitario deve essere mantenuta relativamente bassa per evitare oscillazioni. Per applicazioni ad alta velocità è quindi possibile acquistare amplificatori operazionali che sono stati scompensati. Questo significa che i circuiti interni sono stati regolati per funzionare a una larghezza di banda più elevata, ma anche che l’amplificatore operazionale non può essere utilizzato nella configurazione unity-gain (a guadagno unitario); la scheda tecnica di tali AmpOp specificherà un guadagno minimo a circuito chiuso al quale l’amplificatore può essere utilizzato. Se questo limite non viene rispettato, il circuito potrebbe oscillare.

Guadagno al variare della frequenza per un AmpOp stabile a guadagno unitario e per un AmpOp scompensato
Guadagno al variare della frequenza per un AmpOp stabile a guadagno unitario e per un AmpOp scompensato. Credits Texas Instruments.

Un amplificatore operazionale scompensato ha una compensazione di frequenza interna progettata per funzionare con resistori esterni di regolazione del guadagno in modo tale che il guadagno a circuito chiuso risultante sia limitato a un valore maggiore di un minimo specificato. Questo guadagno minimo è specificato nella scheda tecnica dell’amplificatore operazionale scompensato. Gli amplificatori operazionali compensati, ovvero i normali amplificatori operazionali, sono tradizionalmente progettati per essere stabili per i guadagni fino al guadagno unitario incluso. Gli amplificatori operazionali scompensati presentano una larghezza di banda e uno slew-rate maggiore rispetto agli amplificatori operazionali compensati per il guadagno unitario.

Come mostrato nella figura, la ridotta compensazione interna di un amplificatore operazionale è tale che il polo dominante fd per l’amplificatore operazionale stabile a guadagno unitario viene spostato nella posizione f1 nel caso dell’amplificatore operazionale scompensato. La modifica della compensazione interna aumenta la larghezza di banda dell’amplificatore operazionale mantenendo costante l’energia consumata. Ovvero, l’amplificatore operazionale scompensato ha un maggiore rapporto larghezza di banda/potenza rispetto a un amplificatore operazionale stabile a guadagno unitario di geometria equivalente.

Riassumendo, possiamo dire che rispetto all’amplificatore stabile a guadagno unitario, la versione scompensata presenta i seguenti vantaggi:

  1. Un guadagno a circuito aperto che si estende a una frequenza più elevata;
  2. Una larghezza di banda a circuito chiuso maggiore;
  3. Uno slew-rate migliore.

Perché utilizzare un amplificatore operazionale scompensato? Un amplificatore scompensato è progettato per massimizzare le prestazioni della larghezza di banda. Esso presenta un aumento di larghezza di banda per piccoli segnali, miglior slew-rate e maggior larghezza di banda a piena potenza rispetto a un AmpOp stabile a guadagno unitario equivalente. La larghezza di banda a piena potenza è la frequenza massima alla quale un’onda sinusoidale non distorta è riprodotta all’uscita dell’amplificatore operazionale.

La larghezza di banda a piena potenza viene calcolata con la formula:

FPBW=\frac{SR}{2\pi V_{p}}

dove SR è lo slew-rate e Vp è il valore di picco della tensione in uscita. Di conseguenza, un maggiore slew-rate si traduce in una maggiore larghezza di banda a piena potenza. Il tasso di slew determina la frequenza massima raggiungibile per ottenere un segnale in uscita con distorsione minima. Un amplificatore operazionale scompensato presenta un rapporto larghezza di banda/corrente di alimentazione migliore rispetto a un equivalente amplificatore operazionale stabile a guadagno unitario.

L’amplificatore operazionale con il più alto prodotto guadagno-larghezza di banda disponibile oggi è l’OPA855, con i suoi 8 GHz. Tuttavia, trattandosi di un amplificatore scompensato, è necessario utilizzarlo con un guadagno di almeno sette, nel qual caso raggiungerà “solo” i 2,5 GHz. L’amplificatore operazionale non scompensato più veloce è il THS4304, che può funzionare in qualsiasi configurazione fino alla sua larghezza di banda di guadagno unitario di 3 GHz. Tuttavia è bene ricordare che il corretto layout del circuito diventa fondamentale a tali frequenze; qualsiasi capacità parassita può sconvolgere la stabilità del loop e trasformare l’amplificatore in un oscillatore.

Slew Rate

La larghezza di banda non è l’unica misura della velocità di un AmpOp. Un’altra specifica che viene indicata nella scheda tecnica di qualsiasi amplificatore operazionale è il suo slew-rate. Solitamente misurato in Volt per microsecondo (V/μs), esso ci dice quanto velocemente può variare la tensione di uscita dell’amplificatore. Un modo semplice per misurare lo slew-rate di un amplificatore operazionale consiste nell’applicare un’onda quadra all’ingresso: l’uscita risulterà un’onda trapeziodale e la pendenza dei suoi lati obliqui sarà lo slew-rate.

Un video molto interessante sull’argomento slew-rate lo potete trovare sul sito dei TI Precision Labs.

La velocità di rotazione è in gran parte determinata dalla corrente di polarizzazione interna di un amplificatore operazionale ed è quindi solitamente proporzionale alla corrente di alimentazione. I valori tipici vanno da 0,5 V/μs per l’μA741 a 20 V/μs per il TL072. Alcuni amplificatori operazionali presentano un espediente noto come slew boosting, in cui la corrente di polarizzazione viene temporaneamente aumentata quando l’amplificatore operazionale rileva che la sua uscita non può tenere il passo con il suo ingresso.

I valori di slew-rate più alti sono disponibili negli amplificatori a feedback di corrente (CFA), che sono simili agli amplificatori operazionali in molti modi, ma abbastanza diversi per non comprenderli in questa nostra rassegna in questo articolo. Rispetto ai normali amplificatori operazionali, hanno un basso guadagno ad anello aperto, alte tensioni di offset di ingresso e correnti di polarizzazione e non possono essere utilizzati in tutte le applicazioni di feedback. Sono comunemente usati nei circuiti ad alta velocità in cui lo slew-rate è il requisito più importante.

Non sorprende quindi che gli amplificatori operazionali a più alto slew-rate combinino le caratteristiche dei CFA e dei normali amplificatori operazionali. Ad esempio, l’EL5102 ha uno slew-rate di ben 3500 V/μs, ma un guadagno ad anello aperto di soli 66 dB. Anche la sua corrente di polarizzazione di ingresso è piuttosto grande, tipicamente 2 μA. Il MIC920 migliora leggermente con i suoi 85 dB. Il vero vincitore in questa categoria è il PA107, che ha uno slew-rate di 3000 V/μs ma raggiunge comunque 140 dB di guadagno ad anello aperto. Assorbendo circa 50 mA dall’alimentazione, non è tuttavia un prodotto adatto ai progetti per bassa potenza.

Conclusioni

La maggior parte dei circuiti integrati oggi sul mercato utilizzano il silicio come materiale di base. Potenzialmente, altri semiconduttori come l’arseniuro di gallio (GaAs), il nitruro di gallio (GaN) o persino il carburo di silicio (SiC) potrebbero essere utilizzati per produrre amplificatori operazionali; tuttavia, data la significativa differenza di costo con il silicio ordinario, questi materiali sono utilizzati principalmente per transistor discreti specializzati e circuiti integrati ad altissima velocità.

Il silicio, a conti fatti, resta il semiconduttore di scelta quasi universale, ed è improbabile che la sua posizione elettiva venga scalzata in un immediato futuro. Ma, come abbiamo visto in questo articolo, il silicio si è dimostrato abbastanza flessibile da consentire un’ampia varietà di progetti di amplificatori operazionali adatti per quasi tutte le applicazioni immaginabili.

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