Microelettronica in 12 puntate – 7: amplificatori operazionali, circuiti e IC commerciali

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Continuiamo il nostro percorso, iniziato nell’articolo precedente, con gli amplificatori operazionali (op-amp). In questa nuova puntata valuteremo i principali circuiti e alcuni IC che troviamo in commercio, con una valutazione generale degli aspetti commerciali in termini di mercato. Successivamente, nelle puntate restanti, valuteremo semplici progetti di microelettronica inglobando i componenti attivi analizzati in questa sezione.

1. Circuito con amplificatori operazionali

L’amplificatore operazionale è probabilmente il singolo dispositivo più utile nei circuiti elettronici analogici. Con una sola manciata di componenti esterni, può essere disposto per eseguire un’ampia varietà di compiti di elaborazione dei segnali analogici.

Fig. 1 – Inseguitore di buffer

Una chiave per l’utilità di questi piccoli circuiti è nel principio di ingegneria del feedback, particolarmente indicato il feedback negativo, che costituisce la base di quasi tutti i processi di controllo automatico. La configurazione circuitale mostrata in figura 1 è un inseguitore di tensione spesso usato come amplificatore buffer.

L’uscita è collegata direttamente all’ingresso negativo (feedback negativo) e poiché v+ = v- = V_IN e V_out = v-, è possibile facilmente osservare che il guadagno ad anello chiuso A₀ = 1. L’amplificatore differenziale mostrato in figura 2, invece, unisce la configurazione invertente e non invertente in un unico circuito.

Fig. 2 – Amplificatore differenziale

Aggiungendo più resistori in parallelo all’ingresso, il circuito risultante può essere pensato per ‘aggiungere’ o ‘sottrarre’ le tensioni applicate ai rispettivi ingressi. Uno dei modi più comuni di fare questo è quello di collegare un ponte resistivo, comunemente chiamato ponte Wheatstone, all’ingresso dell’amplificatore. Alcune applicazioni, come ad esempio un ingresso dell’oscilloscopio, richiedono un’amplificazione differenziale in quest’ultima configurazione con una resistenza d’ingresso molto alta (Fig. 3).

Dall’analisi di figura 3, A₃ ha guadagno differenziale R₂ / R₁, mentre A₁ e A₂ sono ulteriori amplificatori operazionali con resistenze di ingresso molto elevate (correnti di ingresso = 0) a v₁ e v₂.
Gli amplificatori per strumentazione sono una combinazione di tre amplificatori operazionali che sono tipicamente raggruppati in due fasi. I primi due amplificatori operazionali comprendono il primo stadio e ciascuno è un amplificatore non invertente.

Fig. 3: Amplificatore per strumentazione

La seconda fase è un amplificatore differenziale che può avere un guadagno unitario. Un amplificatore per strumentazione è molto vantaggioso per diversi motivi, tra cui: alta impedenza di ingresso, a differenza di un amplificatore differenziale; elevato CMRR.

Un comparatore è un dispositivo che può essere utilizzato per confrontare una tensione di ingresso ad una tensione di riferimento. Il circuito per comparatori può variare nel design e quindi variare nei risultati. Una possibile configurazione utilizza un divisore di tensione per generare la tensione di riferimento (Fig. 4).

Il comparatore ad anello aperto è molto sensibile al rumore sull’ingresso. Il circuito Trigger di Schmitt (Fig. 5) risolve questo problema: non è nient’altro che un comparatore in cui la tensione di riferimento è derivata da una frazione divisa dalla tensione di uscita e reimmessa in feedback positivo. L’uscita è costretta ad essere tra V_sat e -V_sat quando l’ingresso supera il valore della tensione di riferimento.

Fig. 4 – Comparatore

La straordinaria versatilità del op-amp può essere vista nella sua capacità di eseguire l’integrazione e la derivazione.

Integratori e derivatori, come vengono chiamati, sono molto semplici da disegnare. L’uso di un condensatore è ciò che rende possibile il processo matematico complesso. Sia l’Integratore che il derivatore hanno una resistenza e condensatore collegati attraverso l’operazionale e sono influenzati dalla sua costante di tempo RC.

Nella loro forma di base, soffrono di instabilità e di rumore, ma componenti aggiuntivi possono essere aggiunti per ridurre il guadagno complessivo ad anello chiuso.

Nella figura 6 è mostrato l’integratore dove l’uscita sarà uguale all’integrale dell’ingresso, finché l’op-amp rimane nella regione lineare. Il circuito derivatore (Fig. 7), invece, è la controparte dell’integrazione ed è semplicemente ottenuto commutando la posizione della resistenza (R) con il condensatore (C).

2. Il mercato degli operazionali

Fig. 5 – Trigger di Schmitt

Il portafoglio di IC operazionali di ST, Linear e Maxim offrono una scelta esclusiva di alte prestazioni, basso consumo, di precisione e in piccoli package. La tre citate case costruttrici di IC sono solo alcune tra le principali che coprono il mercato dei IC analogici.

È utilizzato in molte applicazioni del settore della trasformazione del segnale, la misura e la strumentazione. La famiglia di questi operazionali hanno un consumo a partire da 2 μA con alte prestazioni con soluzioni di package DFN, QFN, SOT-23 e SC-70 che aiutano a ridurre ulteriormente lo spazio PCB.

Fig. 6 – Integratore

Le soluzioni di amplificatori operazionali di precisione di ST sono una misura perfetta per l’uso con qualsiasi sensore, compreso il gas, la temperatura, la pressione, e sensori di posizione. Le soluzioni includono varie opzioni, quali una migliore accuratezza, una funzione di standby e tante altre. Tutti i prodotti sono automotive-grade AEC-Q100, qualificato e testato con flusso ad alta affidabilità certificata, per soddisfare le specifiche e rigorose esigenze del mercato automobilistico.

RHF484 (Fig. 8), per esempio, è un quad amplificatore operazionale rail-to-rail, di precisione, bipolare, con un basso input offset di tensione e una tensione di alimentazione molto ampia. Progettato per aumentare la tolleranza alle radiazioni, il RHF484 è alloggiato in un package di 14-pin, che lo rende un prodotto ideale per le applicazioni spaziali in ambienti difficili.

Fig. 7 – Derivatore

Linear Technology ha introdotto tempo fa LT6023, un dual 3-30V a bassa potenza, con 30 μV di input offset massimo, adatto per gli strumenti ad alta precisione portatili, sistemi di acquisizione dati e le applicazioni multiplex. LT6023-1 include una modalità di arresto, che riduce la corrente di alimentazione a meno di 3 μA quando l’amplificatore non è attivo. Tutte queste caratteristiche insieme ad una ottima velocità di risposta, si combinano per fornire il funzionamento a basso consumo, come quelli relativi alle rete di sensori wireless di Linear Technology.

Fig. 8 – Esempio di configurazione a basso guadagno con RHF484

Le combinazioni MAX951-MAX954 di Maxim rappresentano amplificatori di potenza microoperativi, in un package di 8-pin. Nella MAX951 e MAX952, l’ingresso invertente del comparatore è collegato ad un riferimento bandgap interno di 1.2V ± 2%. MAX953 e MAX954 sono offerti senza un riferimento interno. MAX951 / MAX952 operano da una singola alimentazione da 2,7V a 7V con una tipica corrente di alimentazione di 7 μA, mentre MAX953 / MAX954 operano da 2.4V a 7V con una corrente di alimentazione tipica 5 μA. Gli amplificatori operazionali MAX951 / MAX953 sono internamente compensati per essere stabili a guadagno unitario.

Fig. 9 – MAX951 / MAX953

Questi amplificatori operazionali hanno uno stadio di uscita unico che consente loro di operare con una corrente ultra-low mantenendo la linearità in condizioni di carico. Inoltre, sono stati progettati per esibire buone caratteristiche DC su tutta la gamma di temperature operative, minimizzando a sua volta gli errori (Fig. 9).

L’obiettivo dei prossimi articoli è affrontare alcuni circuiti in dettaglio con i principali componenti attivi analizzati in queste puntate. Apprestiamoci a far condividere Mosfet e operazionali, per esempio, nelle principali applicazioni elettroniche, analizzando anche alcuni aspetti legati al PCB.

Maurizio Di Paolo Emilio

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