{"id":2785,"date":"2022-01-08T16:09:50","date_gmt":"2022-01-08T16:09:50","guid":{"rendered":"https:\/\/techgoggler.com\/it\/?p=2785"},"modified":"2022-11-15T15:39:35","modified_gmt":"2022-11-15T15:39:35","slug":"amplificatori-operazionali-estremi","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/techgoggler.com\/it\/amplificatori-operazionali-estremi\/","title":{"rendered":"Amplificatori operazionali estremi"},"content":{"rendered":"

L’amplificatore operazionale \u00e8 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<\/a>, il TL072<\/a>, il NE5534<\/a>, l’LM358 <\/a>e, naturalmente, il capostipite di tutti, il μA741<\/a>.<\/p>\n

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 pi\u00f9 comuni. Al di l\u00e0 di questi componenti “di base”, \u00e8 possibile reperire amplificatori operazionali pi\u00f9 sofisticati che migliorano una o pi\u00f9 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<\/a> integrati, aventi ingresso di tensione differenziale, accoppiamento in CC e guadagno elevato adatti ad essere utilizzati in configurazioni retroazionate.<\/p>\n

Numero di canali<\/h2>\n

I primi amplificatori operazionali integrati, a partire dal μA702<\/a> 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 \u00e8 anche il NJM2710<\/a>, che \u00e8 un amplificatore operazionale a sei canali.<\/p>\n

\"NJM2710\"<\/a>
Pinout of a NJM2710. Credit Nisshinbo Micro Devices Inc.<\/figcaption><\/figure>\n

Il maggior numero di amplificatori operazionali integrati in un singolo chip \u00e8 stato otto: sono stati prodotti i modelli EL5811<\/a>, 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 \u00e8 rivelata una scelta migliore per la sua maggior flessibilit\u00e0.<\/p>\n

Consumi energetici<\/h2>\n

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 <\/a> 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.<\/p>\n

Sono infatti stati realizzati amplificatori operazionali a bassissima potenza (ultra-low power), che consumano meno di un μA. Un esempio \u00e8 l’LPV801<\/a>, che consuma tipicamente 450 nA.<\/p>\n

L’amplificatore operazionale pi\u00f9 “risparmioso” oggi sul mercato \u00e8 l’NJU77000<\/a>, 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 capacit\u00e0 di circa 220 mAh, il che significa che potrebbe teoricamente alimentare un NJU77000 per 86 anni ( nella realt\u00e0, ovviamente, il processo di autoscarica esaurir\u00e0 la batteria molto prima. In altri campi, le specifiche di questo amplificatore operazionale non sono eccezionali: la larghezza di banda, ad esempio, \u00e8 di massimo 1 kHz, troppo bassa per elaborare segnali audio, ma pi\u00f9 che sufficiente per circuiti a lenta dinamica come certi sensori.<\/p>\n

Corrente di uscita<\/h2>\n

Al polo opposto, abbiamo gli amplificatori operazionali di potenza in grado di fornire grandi correnti al carico. Il classico L272<\/a>, che viene spesso utilizzato come driver per i motore, pu\u00f2 fornire fino a 1 A su ciascuno dei suoi due canali. Anche in questo caso la tecnologia \u00e8 progredita e oggi sono disponibili gli OpAmp PA50 <\/a>e PA52 <\/a> 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.<\/p>\n

\"Apex<\/a>
Apex PA52. Credits Apex Microtechnology<\/figcaption><\/figure>\n

Naturalmente questi “campioni” hanno un prezzo elevato pari a qualche centinaio di dollari. Per esigenze di corrente maggiori di quella che il tuo amplificatore pu\u00f2 fornire, potrebbe essere molto pi\u00f9 economico progettare un circuito di boost di uscita utilizzando transistor di potenza discreti.<\/p>\n

Tensione di alimentazione<\/h2>\n

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 \u00e8 decisamente eccessivo, e molti amplificatori operazionali moderni funzionano tranquillamente a 3,3 V o anche meno.<\/p>\n

All’estremo opposto, esistono anche amplificatori operazionali che possono funzionare a pi\u00f9 di 100 V; L’LTC6090 <\/a>e l’ADHV4702, <\/a>ad esempio, funzionano rispettivamente a 140 V e 220 V. Il campione in questa categoria \u00e8 il PA99 <\/a>di Apex: questo amplificatore operazionale opera con 2500 V ai suoi pin di alimentazione. Pu\u00f2 fornire 50 mA in uscita e presenta un prodotto guadagno-larghezza di banda (GBW) di 28 MHz. Al pari dei modelli ad alta corrente, \u00e8 un chip molto costoso, intorno ai mille dollari: il mercato principale \u00e8 quello degli strumenti scientifici e delle apparecchiature industriali che utilizzano attuatori piezoelettrici o la deflessione elettrostatica. <\/p>\n

Larghezza di banda<\/h2>\n

Se osserviamo la risposta in frequenza ad anello aperto di un amplificatore operazionale, vedremo che il suo guadagno \u00e8 alto (pi\u00f9 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).<\/p>\n

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 sar\u00e0 la frequenza di guadagno unitario. Se lo imposti per un guadagno di due, avr\u00e0 met\u00e0 della larghezza di banda. Un guadagno di dieci si tradurr\u00e0 in un decimo della larghezza di banda e cos\u00ec via. Poich\u00e9 il prodotto del guadagno e della larghezza di banda \u00e8 sempre lo stesso, la frequenza di guadagno unitario \u00e8 anche chiamata prodotto guadagno-larghezza di banda (GBW).<\/p>\n

La maggioranza degli amplificatori operazionali per uso generico pu\u00f2 essere utilizzata a qualsiasi guadagno ad anello chiuso. Questa flessibilit\u00e0 ha per\u00f2 un prezzo: la frequenza di guadagno unitario deve essere mantenuta relativamente bassa per evitare oscillazioni. Per applicazioni ad alta velocit\u00e0 \u00e8 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 pi\u00f9 elevata, ma anche che l’amplificatore operazionale non pu\u00f2 essere utilizzato nella configurazione unity-gain (a guadagno unitario); la scheda tecnica di tali AmpOp specificher\u00e0 un guadagno minimo a circuito chiuso al quale l’amplificatore pu\u00f2 essere utilizzato. Se questo limite non viene rispettato, il circuito potrebbe oscillare.<\/p>\n

\"Guadagno<\/a>
Guadagno al variare della frequenza per un AmpOp stabile a guadagno unitario e per un AmpOp scompensato. Credits Texas Instruments.<\/figcaption><\/figure>\n

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 \u00e8 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.<\/p>\n

Come mostrato nella figura, la ridotta compensazione interna di un amplificatore operazionale \u00e8 tale che il polo dominante fd<\/sub> per l’amplificatore operazionale stabile a guadagno unitario viene spostato nella posizione f1<\/sub> 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.<\/p>\n

Riassumendo, possiamo dire che rispetto all’amplificatore stabile a guadagno unitario, la versione scompensata presenta i seguenti vantaggi:<\/p>\n

    \n
  1. Un guadagno a circuito aperto che si estende a una frequenza pi\u00f9 elevata;<\/li>\n
  2. Una larghezza di banda a circuito chiuso maggiore;<\/li>\n
  3. Uno slew-rate migliore.<\/li>\n<\/ol>\n

    Perch\u00e9 utilizzare un amplificatore operazionale scompensato?<\/strong> Un amplificatore scompensato \u00e8 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<\/strong> \u00e8 la frequenza massima alla quale un’onda sinusoidale non distorta \u00e8 riprodotta all’uscita dell’amplificatore operazionale.<\/p>\n

    La larghezza di banda a piena potenza viene calcolata con la formula:<\/p>\n

    \"FPBW=\frac{SR}{2\pi V_{p}}\" <\/p>\n

    dove SR \u00e8 lo slew-rate e Vp<\/sub> \u00e8 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.<\/p>\n

    L’amplificatore operazionale con il pi\u00f9 alto prodotto guadagno-larghezza di banda disponibile oggi \u00e8 l’OPA855<\/a>, con i suoi 8 GHz. Tuttavia, trattandosi di un amplificatore scompensato, \u00e8 necessario utilizzarlo con un guadagno di almeno sette, nel qual caso raggiunger\u00e0 “solo” i 2,5 GHz. L’amplificatore operazionale non scompensato pi\u00f9 veloce \u00e8 il THS4304<\/a>, che pu\u00f2 funzionare in qualsiasi configurazione fino alla sua larghezza di banda di guadagno unitario di 3 GHz. Tuttavia \u00e8 bene ricordare che il corretto layout del circuito diventa fondamentale a tali frequenze; qualsiasi capacit\u00e0 parassita pu\u00f2 sconvolgere la stabilit\u00e0 del loop e trasformare l’amplificatore in un oscillatore.<\/p>\n

    Slew Rate<\/h2>\n

    La larghezza di banda non \u00e8 l’unica misura della velocit\u00e0 di un AmpOp. Un’altra specifica che viene indicata nella scheda tecnica di qualsiasi amplificatore operazionale \u00e8 il suo slew-rate. Solitamente misurato in Volt per microsecondo (V\/μs), esso ci dice quanto velocemente pu\u00f2 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 risulter\u00e0 un’onda trapeziodale e la pendenza dei suoi lati obliqui sar\u00e0 lo slew-rate.<\/p>\n

    Un video molto interessante sull’argomento slew-rate lo potete trovare sul sito dei TI Precision Labs<\/a>.<\/p>\n

    La velocit\u00e0 di rotazione \u00e8 in gran parte determinata dalla corrente di polarizzazione interna di un amplificatore operazionale ed \u00e8 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 pu\u00f2 tenere il passo con il suo ingresso.<\/p>\n

    I valori di slew-rate pi\u00f9 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 velocit\u00e0 in cui lo slew-rate \u00e8 il requisito pi\u00f9 importante.<\/p>\n

    Non sorprende quindi che gli amplificatori operazionali a pi\u00f9 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 \u00e8 piuttosto grande, tipicamente 2 μA. Il MIC920 migliora leggermente con i suoi 85 dB. Il vero vincitore in questa categoria \u00e8 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 \u00e8 tuttavia un prodotto adatto ai progetti per bassa potenza.<\/p>\n

    Conclusioni<\/h2>\n

    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 velocit\u00e0.<\/p>\n

    Il silicio, a conti fatti, resta il semiconduttore di scelta quasi universale, ed \u00e8 improbabile che la sua posizione elettiva venga scalzata in un immediato futuro. Ma, come abbiamo visto in questo articolo, il silicio si \u00e8 dimostrato abbastanza flessibile da consentire un’ampia variet\u00e0 di progetti di amplificatori operazionali adatti per quasi tutte le applicazioni immaginabili.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    I primi amplificatori operazionali sono stati introdotti negli anni ’60. Da allora i progettisti sono riusciti ad aumentarne le prestazioni in modo significativo. <\/a><\/p>\n<\/div>","protected":false},"author":2,"featured_media":2799,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[115],"tags":[11,215],"class_list":{"0":"post-2785","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","5":"has-post-thumbnail","7":"category-automatica","8":"tag-elettronica","9":"tag-learning"},"yoast_head":"\nAmplificatori operazionali estremi - the Tech Goggler<\/title>\n<meta name=\"description\" content=\"I primi amplificatori operazionali sono stati introdotti negli anni '60. 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