Microelettronica in 12 puntate – 6: amplificatori operazionali, generalità

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Un amplificatore operazionale elabora piccoli segnali in modo differenziale, fornendo in uscita lo sviluppo di un singolo segnale ended (Fig. 1).

Mentre gli amplificatori operazionali reali derivano dalle sue caratteristiche ideali, è molto utile, per un primo livello di comprensione, prendere in considerazione queste caratteristiche. Un amplificatore operazionale ideale ha un guadagno infinito per segnali di ingresso differenziali. In pratica, i dispositivi reali avranno un abbastanza alto guadagno (chiamato anche guadagno ad anello aperto), ma questo non sarà necessariamente noto con precisione.

Fig. 1 – Amplificatore operazionale

In termini di specifiche, il guadagno è misurato in termini di V_OUT/V_IN, ed è dato in quantità adimensionale. Più spesso però, il guadagno è espresso in termini di decibel (dB), che è matematicamente dB = 20 * log (guadagno numerico in tensione). I valori di 100-130 dB sono comuni per amplificatori operazionali di precisione, mentre i dispositivi ad alta velocità possono avere guadagni nella gamma di 60-70 dB. Inoltre, un amplificatore operazionale ideale ha guadagno pari a zero per i segnali comuni a entrambi gli ingressi, cioè, di modo comune (CM).

In altre parole, un amplificatore operazionale ideale ha un CMR infinito, ovvero la tendenza di un dispositivo di rigettare i segnali d’ingresso comuni a entrambi gli input. In pratica, gli amplificatori operazionali reali possono avere caratteristiche CMRR fino a 130 dB per dispositivi di precisione, o a partire da 60-70 dB per alcuni dispositivi ad alta velocità. L’amplificatore operazionale ideale ha anche la tensione di offset nulla, così come la corrente di polarizzazione a due ingressi. All’interno di dispositivi reali, le tensioni di offset effettive possono essere basse dell’ordine dei mV o meno, o raggiungere diverse decine di mV. Le correnti di polarizzazione sono dell’ordine di pochi fA, o raggiungere diversi μA.

Fig. 2 – Rete di retroazione

Tuttavia, è di fondamentale importanza utilizzare gli amplificatori operazionali con un circuito di feedback generale. Infatti, come noto, il collegamento di un circuito di retroazione esterno adatto, definisce caratteristiche di guadagno e risposta in frequenza dell’amplificatore ad anello chiuso. Si noti anche che tutti i veri amplificatori operazionali hanno un terminale di alimentazione positivo e negativo, ma raramente si hanno una messa a terra separata.

La rete di retroazione (Fig. 2) può essere resistiva o reattiva, lineare o non lineare, o qualsiasi loro combinazione. Con il feedback, la rete a circuito chiuso determina il guadagno che risulta dipendente principalmente da un insieme di componenti esterni.

Caratteristiche elettriche

Le principali caratteristiche di un operazionale, che ne permettono una corretta scelta nella lettura del corrispondente data sheet, possono essere elencati di seguito con la relativa definizione:

• Tensione di Offset di Ingresso (Input Offset Voltage). La tensione di ingresso dovuta alla non perfetta simmetria circuitale; è la tensione che si deve applicare per rendere nulla l’uscita.
• Corrente di Offset di Ingresso (Input Offset Current). La differenza algebrica fra le correnti che scorrono nei terminali di input (+) e (-), quando l’output è nullo.
• Corrente di Polarizzazione di Ingresso (Input Bias Current). La corrente di polarizzazione di ingresso che scorrono nei terminali di input.
• Resistenza Differenziale di Ingresso (Differential Input Resistance). La resistenza differenziale di ingresso misurata a uno dei terminali di ingresso.
• Capacità di Ingresso (Input Capacitance). La capacità misurata a uno dei terminali di input.
• Rapporto di Reiezione al Modo Comune (Common-mode Rejection Ratio, CMRR). Il rapporto tra il guadagno di modo differenziale e quello di modo comune.
• Resistenza di Uscita (Output Resistance). La resistenza fra il terminale di uscita e la massa.
• Velocità di Risposta (Slew Rate). Lo slew rate (SR) viene definito come la massima velocità di variazione della tensione di uscita (dell’ordine dei microsecondi).
• Risposta in frequenza. La risposta in frequenza esprime la larghezza di banda dell’operazionale. La maggior parte amplificatori operazionali hanno una risposta in frequenza molto semplice. Il guadagno è costante in DC e a frequenze molto basse con un unico polo roll-off. È ovvio che, in tutta la regione in cui si applica la risposta in frequenza, il prodotto del guadagno e frequenza è una costante.

Fig. 3 – Configurazione non invertente

Configurazione principali

Tutte le connessioni di feedback possono essere classificate in pochi tipi di base. Tra questi, quelli più utilizzati sono lo stadio non invertente e quello invertente. La configurazione non invertente, noto anche come inseguitore di tensione con guadagno, o semplicemente inseguitore di tensione, è mostrato in figura 3.

Poiché V_IN vede l’ingresso ad alta impedenza dell’amplificatore operazionale (+), fornisce un’interfaccia ideale per la sorgente d’ingresso. Il guadagno può essere facilmente regolato in un ampio intervallo via R_F e R_G. Un punto chiave è la relazione interessante riguardante R_F e R_G. Se R_F è preso a zero e R_G aperto, il guadagno dello stadio diventa l’unità, e V_OUT è esattamente uguale a V_IN. Questo speciale caso non invertente è anche chiamato unity gain follower, comunemente usato per il buffering.

Lo stadio di guadagno di un operazionale in configurazione invertente, anche noto semplicemente come Inverter, è mostrato in figura 4. Come si può notare dal confronto delle figure 3 e 4, l’inverter può essere visto come un follower, ma con una trasposizione della tensione di ingresso V_IN. Il segnale viene applicato a R_G della rete di retroazione e l’ingresso (+) è in configurazione invertente. A differenza dello stage non invertente, l’inverter presenta un ingresso con impedenza relativamente bassa per V_IN, cioè, il valore di R_G.

Mentre il guadagno può, in teoria, essere regolato in un ampio intervallo via R_F e R_G, vi è un limite pratico imposto ad alto guadagno, quando R_G diventa relativamente bassa. Se R_F è zero, il guadagno diventa zero. R_F può essere resa anche variabile, nel qual caso il guadagno è funzione lineare nel range dinamico dell’elemento resistivo usato per R_F.

Fig. 4 – Configurazione invertente

Power supply e noise

Tradizionalmente molti amplificatori operazionali sono stati progettati per funzionare con un sistema di alimentazione duale, che è in genere ± 15V. Questa usanza è stata diffusa sin dal primo IC operazionale che risale agli anni Sessanta. Tali dispositivi possono ospitare campi di ingresso/uscita di ± 10V (o poco più), ma quando si opera sulle forniture di tensioni sensibilmente inferiori, ad esempio ± 5V o meno, hanno perdite di prestazioni, o semplicemente non funzionano affatto. In termini di limitazione della tensione di alimentazione, vi è una zona d’incrocio in termini di utilità complessiva, che avviene intorno a 10V di tensione totale di alimentazione. In questo caso, i dispositivi ad alimentazione singola tendono a eccellere in termini di range dinamico di ingresso e tensione di uscita.

In termini di tensione e corrente in uscita, le parti ad alimentazione duale tendono a offrire di più in termini assoluti, a differenza di quelle a singola alimentazione che di solito sono generalmente progettati non solo per campi di tensione bassi, ma anche con uscite in corrente più modeste.

Oltre al rumore presente nel segnale di ingresso e circuiteria interna, gli amplificatori operazionali presentano rumore a causa di interferenze esterne. L’interferenza da rumore proviene da fonti non legate al circuito reale; tali rumori sono di natura elettrica, elettromagnetica, ma anche transitori dovuti alla commutazione nei circuiti reattivi. Le interferenze esterne spesso possono essere eliminate una volta che la fonte di interferenza viene identificata e adottando opportune misure.

Il rumore intrinseco del circuito operazionale non può essere completamente eliminato, poiché è causato da componenti all’interno del circuito stesso. Il meglio che può essere realizzato è quello di minimizzare il rumore in una determinata larghezza di banda di interesse. Quattro tipi di rumore sono comunemente riscontrati negli amplificatori operazionali: burst noise, flicker noise, shot noise e Johnson noise.

La panoramica sugli operazionali ci condurrà dalla prossima puntata ad analizzare una serie di configurazioni circuitali, prima con l’uso degli operazionali e poi inglobando anche transistor e mosfet descritte nelle puntate precedenti. L’obiettivo sarà di mettere in pratica le nozioni studiate nelle puntate fin qui descritte.

Maurizio Di Paolo Emilio

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