Op Amp
Amplificatori
Operazionali
teoria, parametri,
configurazioni,
applicazioni e
circuiti tipici
insomma… tutto sugli Op Amp!
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Indice
Op Amp
Amplificatori Operazionali
Indice generale
1 - Generalità
2 - Le configurazioni di base
(con simulazioni)
3 - OpAmp ideali e reali
(i parametri dei fogli tecnici)
è possibile accedere
a ciascuna sezione
con un click sul testo
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Indice 3a sezione
Op Amp
Amplificatori Operazionali
Indice 3a sezione
3 - OpAmp ideali e reali
3.1 - i parametri dei fogli tecnici
3.2 - i valori massimi assoluti
3.3 - il guadagno a catena aperta
3.4 - la tensione di offset
3.5 - resistenza e corrente d’ingresso
3.6 - il CMRR
3.7 - il segnale d’uscita
3.8 - lo slew-rate
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3 - Op Amp ideali e reali
Op Amp
3.1 - I parametri dei fogli tecnici
I parametri che caratterizzano un operazionale reale vengono forniti
dal costruttore nei fogli tecnici (data sheets) in duplice forma:
tabelle e grafici.
Nelle tabelle vengono inseriti i valori tipici o quelli limite, mentre nei
grafici vengono evidenziate le possibili variazioni dei parametri stessi.
I fogli tecnici iniziano fornendo alcuni dati generali, quali le
principali caratteristiche, le indicazioni d’impiego, il contenitore,
le versioni disponibili, la piedinatura e lo schema interno.
I parametri forniti sono moltissimi, alcuni fondamentali e altri utili
solo per determinate applicazioni. Per la maggior parte degli
impieghi, infatti, un operazionale può essere ritenuto ideale.
Fra i molti parametri forniti, analizzeremo qui di seguito i più importanti, considerando
sia i valori indicati in tabella, sia le loro variazioni evidenziate dai grafici.
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3 - Op Amp ideali e reali
3.2 - I valori massimi assoluti
Op Amp
La prima tabella che compare nel foglio tecnico contiene i valori
massimi assoluti, ovvero quelli che non vanno superati, pena il
danneggiamento del circuito interno dell’amplificatore.
In questa tabella vengono indicati i seguenti limiti:
Parametro
simbolo
valore
Tensione di alimentazione
VCC
±18 V
Tens. d’ingresso differenziale
VID
±30 V
Tens. d’ingresso modo comune
VICR
±15 V
Corrente d’uscita di cortocirc.
IOS
±5 mA
Potenza dissipabile
PD
0.5 W
Temperatura ambiente TA
Temperatura di immagazzinam.
Quelli qui riportati sono i valori
limite della maggior parte degli
Op Amp, anche se possono
differire notevolmente da un
dispositivo all’altro.
0 - 70 °C
TSTG
-65 +150 °C
Fra i parametri-limite indicati, assume particolare importanza anche la tensione minima
di alimentazione, oggi fondamentale per tutte le applicazioni portatili alimentate a
batteria nonché per le schede dei PC, che operano a tensioni sempre più basse.
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Nelle tabelle successive sono riportati i parametri tipici. Essi differiscono da quelli fin
qui considerati per l’operazionale ideale. Vediamo come.
Op Amp
3 - Op Amp ideali e reali
Parametro
simbolo
ideale
reale
Guadagno a catena aperta
AVOL
infinito
105 (100 dB)
Resistenza d’ingresso
RI
infinita
1 Mohm
Resistenza d’uscita
RO
nulla
100 Ohm
Reiezione di modo comune
CMRR
infinita
104 (80 dB)
Banda passante a catena aperta
BW
infinita
100 Hz
Vediamo in dettaglio che cosa significano questi parametri, come vanno interpretati
e che importanza pratica hanno nelle applicazioni reali.
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3.3 - Guadagno a catena aperta
Si definisce “guadagno di tensione a catena aperta” (AVOL) l’amplificazione che il
circuito interno dell’operazionale applica sul segnale d’ingresso, indipendentemente
dalla rete resistiva esterna, e quindi rappresenta in pratica il rapporto fra le ampiezze
dei due segnali d’uscita e d’ingresso.
Il guadagno AVOL deve essere il più elevato possibile, e ciò al fine di non
influenzare il valore del guadagno a catena chiusa Av, ovvero quello determinato
dall’utente con una rete resistiva.
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E’ quindi ovvio che, se AVOL non è infinito, il valore del guadagno impostato dall’utente
non è più quello desiderato, bensì un po’ inferiore. L’errore che si compie è tanto più
grande quanto maggiore è il guadagno reazionato Av, impostato con i resistori.
3 - Op Amp ideali e reali
Op Amp
Ad esempio, se il guadagno AVOL è 105, l’errore ottenuto è pressoché
nullo per guadagni Av bassi (fino a 10), mentre diviene dello 0.1% per
Av = 100 e dell’1% per Av = 1000.
Ciò condiziona tutte le applicazioni di precisione.
Il guadagno può venir espresso come valore assoluto (ad esempio 105),
come rapporto V/mV (105 = 100 V/mV) o in decibel (105 = 100 dB).
Dai fogli tecnici si vede, però, che il guadagno AVOL non è una costante, bensì può
variare con alcuni parametri, come è evidenziato dai grafici mostrati di seguito.
Qui vediamo come il guadagno del µA741
varia con la tensione di alimentazione, e
passa dai 35 V/mV con ±2V di VCC fino a
ben 300 V/mV con ±20V di alimentazione
Ciò significa che se la VCC non è stabile, insorge una
distorsione di ampiezza nel segnale d’uscita.
Si noti inoltre che il grafico precisa RL= 2Kohm, e
infatti il guadagno diminuisce con l’aumentare della
corrente d’uscita.
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3 - Op Amp ideali e reali
Op Amp
In questo grafico dell’HA2520 si vede
come il guadagno - oltre che dalla
tensione - dipende dalla temperatura.
Ciò significa che in un’apparecchiatura, dall’istante
dell’accensione fino a regime, variano i parametri
di funzionamento (valore di zero, di fondo scala, ecc)
Il guadagno a catena aperta AVOL subisce una diminuzione all’aumentare della
frequenza del segnale applicato, e ciò a causa di un condensatore realizzato
internamente al circuito integrato.
Ad esempio, nell’Op Amp TL081 il guadagno scende
da 2·105 a 10Hz fino a solo 10 a 500KHz!
Ciò significa che per amplificare un segnale audio
(fino a 20KHz) non si può superare un guadagno di 100!
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3 - Op Amp ideali e reali
Op Amp
Dall’ultimo grafico visto si può notare che il guadagno diminuisce con
una pendenza costante di 10 dB/decade, per cui si ha che il prodotto
guadagno-larghezza di banda (AVOL·BW) è in realtà una costante,
ed equivale anche alla frequenza per la quale Avol diviene unitario.
Questo prodotto - utile per valutare la massima frequenza di lavoro dell’operazionale
nonché il suo guadagno - non è però una costante, ma può variare con molti parametri.
Come di vede qui a sinistra per
l’Op Amp HA2520, il prodotto
guadagno-larghezza di banda può
infatti variare in funzione della
tensione di alimentazione e della
temperatura ambiente.
Accanto all’andamento del guadagno, il costruttore
fornisce anche il diagramma di Bode della fase,
riportato qui a lato nel caso del µA741.
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3 - Op Amp ideali e reali
3.4 - Tensione di offset
Op Amp
Se si cortocircuitano fra di loro gli ingressi di un operazionale, l’uscita
dovrebbe essere nulla ma, a causa della non completa simmetricità
del circuito interno, ciò non succede, e in uscita si misura una tensione.
Poiché questa tensione dipende dal guadagno Av impostato dall’utente, il costruttore
non può indicarla nei fogli tecnici, per cui fornisce il valore della tensione che, applicata
agli ingressi, permette di riportare a zero la tensione d’uscita.
Essa viene chiamata “tensione di offset” VIO, ed è pari
ad alcuni millivolt. Alcuni operazionali dispongono di
appositi pin per l’azzeramento dell’offset.
Tale azzeramento è importante, poiché a causa dell’elevato
valore del guadagno, una VIO (non azzerata) anche solo di
pochi millivolt è sufficiente a portare in saturazione
l’uscita dell’operazionale (VO = +VCC oppure -VCC).
E’ importante conoscere non solo il valore dell’offset, ma anche la sua deriva termica, poiché
essa può compromettere le applicazioni di precisione nonché la strumentazione elettronica.
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Viene definita anche una “corrente di offset” IIO, definita come la corrente che è necessario
applicare agli ingressi per azzerare l’uscita; normalmente vale alcune decine di nA.
3 - Op Amp ideali e reali
Op Amp
3.5 - Resistenza e corrente d’ingresso
L’amplificatore operazionale è costruito in modo da presentare una
resistenza d’ingresso pressoché infinita. In realtà non è così, ed il
costruttore indica sui fogli tecnici il valore della resistenza d’ingresso
Rin e della corrente d’ingresso (o di “bias”) IB.
Parametro
simbolo
bipolari
J-Fet
Cmos
Resistenza d’ingresso
RI
1 Mohm
1 Gohm
1 Tohm
Corrente d’ingresso
IB
1 µA
1 nA
1 pA
Si noti come la corrente
d’ingresso subisca derive
termiche opposte per gli
Op Amp bipolari (a
sinistra il µA741) e Fetinput (a destra il TL081).
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3 - Op Amp ideali e reali
3.6 - Il CMRR
Op Amp
Proprio poiché l’operazionale è progettato per amplificare la differenza
fra le due tensioni d’ingresso, esso non deve amplificare le “tensioni di
modo comune”, ovvero riferite a massa.
Esiste quindi un parametro, detto “rapporto di reiezione di modo comune”
o CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) che esprime il rapporto fra l’amplificazione
dei segnali differenziali e quelli di modo comune.
in formule:
CMRR = Ad / Ac
dove Ad è il guadagno differenziale e Ac quello di modo comune. Il CMRR deve quindi
essere il più elevato possibile: in pratica va dai 70 ai 90 dB per i dispositivi più comuni.
Il CMRR dipende però fortemente dalla frequenza del
segnale applicato, come si può vedere in questo grafico
fornito per il µA741. Ciò è dovuto alla presenza di una
componente capacitiva nel circuito dell’operazionale.
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3 - Op Amp ideali e reali
Op Amp
3.7 - Il segnale d’uscita
Abbiamo detto che se l’operazionale è a catena aperta (oppure se
l’utente gli conferisce un guadagno elevato), è facile che tensioni
d’ingresso anche di pochi millivolt siano in grado di portare l’uscita
in saturazione.
Il costruttore definisce a questo proposito qual è l’ampiezza ottenibile in uscita senza
provocare una distorsione d’ampiezza o addirittura un “clipping” del segnale. Questa
escursione massima (detta anche “swing”) è ovviamente funzione dell’alimentazione.
Il segnale d’uscita, infatti, può al massimo raggiungere la tensione di
alimentazione meno la tensione di saturazione dei transistor d’uscita
nonché la caduta sui resistori di limitazione della corrente d’uscita.
Proprio a causa dei resistori di
limitazione, lo swing d’uscita
VOM è fortemente condizionato
anche dalla resistenza di carico,
come qui mostrato per il µA741.
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3 - Op Amp ideali e reali
Op Amp
In alternativa all’andamento VOM/RL viene
fornito l’andamento della VOM in funzione
della corrente d’uscita IO, da cui si nota la
dipendenza dalla temperatura.
Si può quindi dedurre che un operazionale, per poter
evidenziare la massima escursione della tensione d’uscita,
deve erogare una corrente d’uscita la più ridotta possibile.
Si noti inoltre, dal grafico qui a lato per l’LF411,
che la resistenza d’uscita cresce all’aumentare
della frequenza e all’aumentare del guadagno Av.
Ciò significa che lo swing d’uscita è maggiore per
bassi guadagni, e in alta frequenza le capacità
interne limitano la tensione picco-picco sul carico.
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3 - Op Amp ideali e reali
Op Amp
3.8 - Slew-rate
Lo “slew rate” (SR) rappresenta la massima velocità di variazione del
segnale d’uscita di un operazionale (dv/dt), ed è condizionato dalle
capacità parassite interne. Esso è espresso in Volt/µsec e viene misurato
applicando un segnale a gradino all’ingresso.
La conseguenza di questo fenomeno è che un’onda quadra viene trasformata in trapezoidale,
ed una sinusoidale in triangolare.
segnale d’ingresso
segnale d’uscita,
limitazione dovuta
allo slew-rate
In altri termini, esiste un limite preciso alla massima frequenza di
un segnale correttamente amplificabile dall’operazionale, pena la
sua pesante distorsione o addirittura la limitazione di ampiezza,
come si può vedere dal grafico qui fornito per il µA741, dove a
20 KHz il segnale d’uscita è dimezzato rispetto a 1 KHz!
Ciò costituisce una seria limitazione alla banda passante,
soprattutto se l’uscita deve riprodurre segnali di elevata
ampiezza.
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Op Amp
3 - Op Amp ideali e reali
10KHz
20KHz
100KHz
La conseguenza si può vedere nell’oscillogramma qui sopra riportato, che mostra come,
all’aumentare della frequenza, si osservi una sensibile riduzione dell’ampiezza del segnale
d’uscita.
Lo slew-rate è funzione della temperatura (come si vede qui
a lato per l’LF441) e inoltre, com’è ovvio, della tensione di
alimentazione nonché del carico, soprattutto se capacitivo!
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