L'amplificatore operazionale reale

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Un amplificatore operazionale reale è un circuito integrato il cui comportamento cerca di avvicinarsi a quello dell'amplificatore operazionale ideale. In questa pagina verranno esaminate le differenze tra circuiti con OP.AMP. reale ed ideale, evidenziando a quali condizioni posso essere ritenute valide anche nel mondo reale le "formule teoriche".

Guadagno

Il guadagno ad anello aperto (Open Loop Voltage Gain, G_OL) dell'amplificatore operazionale reale non è infinito ma solo molto elevato, in genere superiore a 80-100 dB. Tale parametro viene specificato dal costruttore ed è molto variabile sia con la temperatura che con la tensione di alimentazione. Anche esemplari con la stessa sigla commerciale possono avere guadagni molto diversi tra di loro.

Il costruttore (non sempre...) specifica il valore del guadagno in determinate condizioni di alimentazione e temperature, in genere limitandosi al valore minimo oppure al valore tipico. Per evitare numeri troppo grandi, è indicato in dB oppure in V/mV (quindi da moltiplicare per 1000).

Amplificatore operazionale reale: guadagno

In genere non è particolarmente significativo a livello applicativo: va infatti considerato solo se il guadagno dell'amplificatore ad anello chiuso (in genere inferiore a 100) è dello stesso ordine di grandezza del guadagno ad anello aperto. Nella quasi totalità dei casi le formule "teoriche" sono quindi, da questo punto di vista, da considerarsi praticamente sempre corrette.

Correnti di ingresso

Le due correnti di ingresso I+ e I- sono per gli amplificatori reali abbastanza piccole, ma ovviamente non nulle. In genere sono identificate come correnti di polarizzazione oppure correnti di bias. A seconda delle tecnologie utilizzate (BJT piuttosto che JFET piuttosto che MOS) variano indicativamente tra 10^-7 e 10^-12 A. Queste due correnti, in genere, hanno lo stesso verso (entrambe entranti oppure entrambe uscenti) e sono in modulo abbastanza simili tra di loro; spesso il costruttore specifica anche il modulo della loro differenza (corrente di offset, I_OS).

Amplificatore operazionale reale: correni di polarizzazione

A livello applicativo, le correnti di bias devono essere considerate solo quando le altre correnti presenti nel circuito sono dello stesso ordine di grandezza; se invece le correnti nelle resistenze sono molto più grandi delle correnti di polarizzazione, queste ultime possono essere ignorate. Per questo motivo è bene utilizzare resistenze esterne "non troppo grandi": infatti questo garantisce che le correnti in esse siano "non troppo piccole". Come linea di riferimento generale vanno scelte resistenze inferiori a 1 MΩ. Se si rispetta questa indicazione, le formule "teoriche" sono sufficientemente corrette, con l'unica avvertenza di scegliere AO migliori se, per qualche ragione, occorre usare resistenze elevate.

L'analisi approfondita del circuito reale (qui non riportata) porta alla ulteriore conclusione che i contributi delle correnti I+ e I- hanno segni opposti e che quindi, scegliendo opportunamente le resistenze esterne, è possibile fare in modo che la somma del contributo complessivo sia trascurabile, soprattutto se la corrente di offset è piccola. Per esempio si può dimostrare che la scelta di R3 (idealmente "inutile") pari al parallelo di R2 e R1 migliora il funzionamento del circuito dal punto di vista delle correnti di polarizzazione. Analoghe conclusioni sono valide anche per l'amplificatore invertente.

Amplificatore operazionale reale: annullare l'effetto delle correnti di bias

Resistenza di uscita

L'impedenza di uscita Zo degli AO reali è piuttosto piccola, ma non nulla. In molti casi può essere ritenuta inferiore alla decina di ohm. Per evitare di doverne tener conto è necessario scegliere le resistenze esterne "molto più grandi" di tale valore, indicativamente maggiori di 1 kΩ.

Spesso il costruttore non fornisce il valore di Zo, ma quello della massima corrente di uscita affinché il funzionamento dell'OP.AMP. sia corretto. In genere viene specificato solo il valore minimo della corrente massima. Spesso la corrente di uscita è indicata come corrente di source se "uscente dall'uscita" oppure corrente di sink se "entrante dall'uscita". (scusate il doppio gioco di parole...).

Altre volte, infine, il produttore fornisce direttamente il valore minimo delle resistenze esterne da utilizzare.

Amplificatore operazionale reale: massima corrente di uscita

In aggiunta ai parametri descritti in questa pagina, esistono molto altri parametri che in questi appunti non vengono descritti. Di seguito la loro definizione:

CMRR (rapporto di reiezione di modo comune): Indica come la tensione di uscite dipende dalla tensione media applicata ai due ingressi. Teoricamente l'uscita dipende solo dalla differenza tra queste tensioni. Deve essere grande (per esempio 100 dB)
PSRR (rapporto di reiezione alle variazioni della tensione di alimentazione): Indica come la tensione di offset dipende dalla tensione di alimentazione. Deve essere grande (per esempio 100 dB)
Stabilità: In alcune situazioni l'uscita può diventare instabile a causa di un carico capacitivo eccessivo. Analogamente il guadagno non deve scendere al di sotto di certi valori (solo alcuni OP.AMP. di tipo "non compensato")