Sistemi e tecnologie elettroniche/L'amplificatore operazionale reale

Indice del libro

Un amplificatore operazionale reale si differenzia dall'ideale per le seguenti condizioni di non idealità:

  • il guadagno differenziale è grande ma non infinito, e il guadagno di modo comune è piccolo ma non identicamente nullo;
  • le grandezze elettriche , , e sono piccole ma non identicamente nulle;
  • il grafico della transcaratteristica non è lineare → non si può applicare il principio della sovrapposizione degli effetti;
  • la dinamica di uscita è limitata principalmente dalle tensioni di alimentazione;
  • la banda passante è limitata → l'amplificazione si riduce a frequenze grandi;
  • il comportamento dell'amplificatore è influenzato anche da parametri esterni (temperatura, tensioni di alimentazione...).

Guadagno differenzialeModifica

  finito: effetto su  Modifica

Un guadagno differenziale   non infinito comporta una riduzione   delle prestazioni dell'amplificatore dell'ordine del reciproco del guadagno di anello  :

 

Resistenze interneModifica

  finito +   finita: effetto su  Modifica

Ponendo internamente in ingresso una resistenza differenziale   finita e applicando un segnale differenziale  , si determina una corrente   che passa dal morsetto non invertente a quello invertente. Il suo effetto sulla resistenza   vista complessivamente ai terminali di ingresso è però trascurabile anche per bassi valori di   e  :

 

A guadagno differenziale   idealmente infinito, la resistenza di ingresso   è ricondotta al caso ideale ( ) indipendentemente dalla resistenza differenziale  .[1]

  finito +   non nulla: effetto su  Modifica

Una resistenza   non nulla, posta in uscita in serie al generatore pilotato interno, ripartisce la tensione di quest'ultimo influenzando in modo limitato la resistenza di uscita  :[2]

 

A guadagno differenziale   idealmente infinito, la resistenza di uscita   è ricondotta al caso ideale ( ) indipendentemente dalla resistenza  .

Tensione in ingressoModifica

  non nulla: effetto su  Modifica

Assumiamo che il modulo abbia una transcaratteristica lineare, ma non ideale perché si discosta dall'origine per i due offset   e  .

La tensione di offset   si può interpretare/modellizzare circuitalmente come un generatore di tensione aggiuntivo in serie all'ingresso, che riduce dello stesso offset la tensione in ingresso:

 

A ingresso   nullo:

 

Il costruttore del modulo si limita a specificare la tensione di offset massima senza segno (l'estremo superiore del suo valore assoluto).

Correnti in ingressoModifica

Le correnti d'ingresso   e   sono definite in funzione della corrente di bias   (modo comune) e della corrente di offset   (modo differenziale):

 

Il costruttore fornisce il segno solo della corrente di bias; il segno della corrente di offset non è noto.

  e   non nulle: effetto su  Modifica

Le non idealità delle correnti   e   si possono modellizzare con generatori di corrente uscente dalle relative linee in ingresso. Applicando il principio di sovrapposizione degli effetti su ciascun generatore, si porta a zero la corrente in ingresso:

  •  : la resistenza   non è attraversata da corrente    → la corrente scorre solamente su  :
     
  •  : il parallelo resistenza  -generatore di corrente   equivale alla serie resistenza-generatore di tensione   → diventa un amplificatore di tensione non invertente reazionato, con tensione di uscita:
     

Le correnti   e   non nulle danno alla tensione di uscita un contributo complessivo:

 
  • l'effetto della corrente di bias   può essere annullato se la resistenza   è uguale al parallelo tra   e  :
     
  • l'effetto della corrente di offset   non può essere annullato per alcun valore di resistenza   (tranne se  ):
     

Limiti di dinamicaModifica

Dinamica di uscitaModifica

L'intervallo dei possibili valori di tensione di uscita   è limitato da:

  • le tensioni di alimentazione   e  ;
  • la resistenza interna di uscita   non nulla, perché su di essa vi è una caduta di potenziale (non indipendente dal carico).

Dinamica di ingressoModifica

Anche il segnale di ingresso non è illimitato:

  • dinamica di modo comune  : è limitata dalle tensioni di alimentazione   e  ;
  • dinamica differenziale  : è legata alla dinamica di uscita:  .

Valori di tensione in ingresso al di fuori della dinamica possono danneggiare il circuito. La restrizione   della dinamica di modo comune comprende valori di tensione lontani dalle tensioni di alimentazione che, oltre a non danneggiare il circuito, garantiscono il suo corretto funzionamento.

TranscaratteristicaModifica

La transcaratteristica   dell'amplificazione operazionale ideale è una retta verticale poiché  .

Si discosta dalla idealità per l'amplificazione   finita, la dinamica di uscita   finita (che provoca una saturazione quando   si avvicina alle tensioni di alimentazione), le tensioni di offset   e  , e la corrente che determina la caduta di potenziale sulla resistenza di uscita interna   (specialmente se la resistenza di carico   richiede un'elevata corrente).

Moduli funzionali commercialiModifica

I parametri del modulo sono descritti dal costruttore nel data sheet. Esempi di utilizzo sono contenuti nelle application notes.

Il data sheet non si occupa delle caratteristiche interne, ma descrive il modulo solo ai morsetti.

I valori dei parametri forniti hanno un'imprecisione. Più si vuole precisione, più il costo del componente aumenta.

NoteModifica

  1. Non si considerano mai resistenze differenziali   troppo vicine al cortocircuito.
  2. Si noti che   è la resistenza vista complessivamente ai terminali di uscita quando i generatori indipendenti sono spenti →  .