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- ELETTRONICA OGGI 459 - GENNAIO/FEBBRAIO 2017
ANALOG/MIXED SIGNAL
OP AMP
cettabili per la generazione termica e la dissipazione
di potenza. Oltre alla resistenza che si presenta agli
ingressi, occorre considerare anche la frequenza.
La tensione totale di rumore si calcola integrando la
densità della tensione di rumore nell’intera banda di
frequenza. È importante filtrare il rumore a frequen-
ze superiori (e forse anche inferiori) alla larghezza di
banda del segnale.
In applicazioni di transimpedenza, in cui l’ingresso
dell’amplificatore è una corrente, occorre procedere
in modo diverso. In questo caso, la tensione di rumore
Johnson del resistore di retroazione aumenta con un
fattore pari alla radice quadrata della sua resistenza,
ma contemporaneamente l’aumento del guadagno del
segnale è lineare in funzione della resistenza. Quindi
si ottiene il rapporto segnale/rumore ottimale con una
resistenza tanto elevata quanto consentito dalla ten-
sione di rumore o di corrente prodotta dall’amplifica-
tore operazionale. Un esempio interessante è illustrato
nell’applicazione all’ultima pagina (pagina 26) del da-
tasheet di LTC6090.
Rumore e altri problemi
Il rumore è solo una di altre cause di errore, e va
considerato nel contesto di queste. La tensione di
offset all’ingresso (il disadattamento di tensione agli
ingressi dell’amplificatore operazionale) può essere
considerata come una tensione di rumore CC. Il suo
effetto può essere ridotto notevolmente eseguendo
una calibrazione una tantum del sistema, ma questa
tensione di offset varia in funzione della temperatura
e del tempo in seguito a variazioni delle sollecitazio-
ni meccaniche. Inoltre, varia in funzione del rapporto
di reiezione all’ingresso (CMRR) e dell’alimentatore
(PSRR). Una calibrazione in tempo reale del sistema
per annullare la deriva causata da queste variabili di-
venterebbe rapidamente costosa e impraticabile. Per
applicazioni in ambienti dif-
ficili, in cui la temperatura
varia notevolmente, l’incer-
tezza delle misure dovuta
alla tensione di offset e alla
deriva può dominare rispet-
to al rumore. Ad esempio, un
amplificatore operazionale
con deriva di temperatura
pari a 5 μV/°C può presen-
tare una variazione riferita
all’ingresso di 625 μV da
-40 °C a 85 °C a causa della
sola deriva di temperatura.
In confronto a tali valori, una tensione di rumore di
alcune centinaia di nanovolt è irrilevante. L’amplifica-
tore LT6018 presenta una deriva straordinariamente
piccola – 0,5 μV/°C – e una tensione massima di of-
fset pari ad appena 80 μV da -40 °C a 85 °C. Presta-
zioni ancora migliori sono offerte dall’amplificatore
ad azzeramento automatico LTC2057 introdotto di
recente, la cui tensione massima di offset è minore di
7 μV da -40 °C a 125 °C. La densità della tensione di
rumore a larga banda è uguale a 11 nV/ Hz, mentre
la tensione di rumore dalla continua a 10 Hz è di 200
nV
P-P
. Sebbene tali valori siano maggiori rispetto a
LT6018, a volte LTC2057 può rappresentare la scel-
ta migliore per applicazioni a bassa frequenza gra-
zie al valore straordinariamente basso della deriva
dell’offset d’ingresso in funzione della temperatura.
Vale anche la pena di notare che grazie alla bassa
corrente di polarizzazione all’ingresso, LT2057 pre-
senta una corrente di rumore molto più bassa rispet-
to a LT6018. Un altro vantaggio della bassa corrente
di polarizzazione all’ingresso di LTC2057 è il valore
molto basso del clock feedthrough rispetto a molti
altri amplificatori a deriva nulla. Alcuni di questi ul-
timi possono presentare notevoli componenti spurie
della tensione di rumore quando l’impedenza del ge-
neratore è elevata.
In tali circuiti ad alta precisione, è necessario an-
che prestare attenzione a ridurre al minimo gli ef-
fetti termocoppia, che possono generarsi ovunque vi
sia una giunzione di metalli diversi. Anche giunzioni
di due cavi di rame di produttori differenti possono
generare forze elettromotrici termiche di 200 nV/°C,
maggiori di oltre 13 volte rispetto alla deriva del caso
peggiore di LTC2057. In questi circuiti a bassa deri-
va sono importanti tecniche di layout per adattare
o ridurre al minimo il numero di giunzioni presenti
nel percorso del segnale d’ingresso dell’amplificare,
mantenere vicini tra di loro gli
ingressi e giunzioni adattate,
ed evitare gradienti termici.
Il rumore, quindi, è una limita-
zione fisica fondamentale. Per
ridurne al minimo gli effetti
nella gestione di segnali di sen-
sori, occorre fare attenzione a
scegliere un amplificatore ope-
razionale adatto, a ridurre al
minimo e adattare le resistenze
d’ingresso, e a configurare in
modo ottimale il layout fisico
del progetto.
Fig. 3 – Generatori di rumore di natura coerente
e incoerente in una coppia differenziale
di amplificatori operazionali