Gli amplificatori operazionali (op amp) continuano a svolgere un importante ruolo in circuiti che interferiscono con sistemi che elaborano segnali analogici. Questi dispositivi capaci di amplificare la tensione sono progettati per essere usati con componenti di retroazione esterni, quali i resistori e capacitori tra i terminali di uscita ed ingresso.
Op amp sono tra i dispositivi elettronici più ampiamente utilizzati oggi, dato che vengono impiegati in un'ampia serie di dispositivi di consumo, industriali e scientifici. C'è una gran quantità di IC dell'amplificatore operazionale, disponibili per soddisfare ogni possibile applicazione dallo standard bipolare, precisione, alta velocità, basso rumore, alta tensione, ecc. in una configurazione standard o con transistor a effetto di campo di giunzione interna (JFET).
Poiché il primo amplificatore operazionale —che ha un design con tubo a vuoto—era stato inventato da Karl D. Swartzel, Jr. of Bell Labs nel 1941, i produttori sono impegnati a progettare un miglior amplificatore operazionale. Le caratteristiche dell'amplificatore operazionale '“ideale” o perfetto includono un guadagno ad anello aperto AOL infinito, la resistenza di ingresso infinita Rin, la resistenza di uscita Rout, la larghezza di banda infinita ≠ 0 ∞ e la deviazione di zero (l'uscita è esattamente pari a zero quando l'ingresso è zero).
In realtà, il design fisico ed elettrico e i vincoli di costo hanno indotto i produttori di amplificatori operazionali a realizzare degli amplificatori operazionali che ritoccano le prestazioni e gli impedimenti del design.
Per esempio, gli amplificatori operazionali non hanno un guadagno infinito o una larghezza di banda infinita, ma hanno il tipico “guadagno ad anello aperto,” che viene definito come amplificazione dell'uscita dell'amplificatore senza segnali di retroazione esterni ad esso collegati e per un amplificatore operazionale tipico è circa 100dB a DC (Hz zero). Questo guadagno dell'uscita diminuisce linearmente con la frequenza che diminuisce con il “guadagno dell'unità” o a 1, a circa 1 MHz.
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Con applicazioni che continuano a spingere i limiti delle prestazioni o che richiedono una funzionalità aggiuntiva, molti degli ultimi amplificatori sono circuiti altamente ottimizzati per uno scopo specifico o classe di esigenze relative alle prestazioni, secondo quando affermato da Brian Black, responsabile marketing presso Linear Technology. Black presenta l'esempio di un amplificatore operazionale configurato come amplificatore di transimpedenza in un'applicazione con fotodiodi. Linear Technology ha sviluppato due amplificatori operazionali stabili a guadagno unitario —il LTC6268 (vedere la figura 1) e il LTC6269—che sono stati ottimizzati per applicazioni circuitali ad alta impedenza.
Figura 1: amplificatore operazionale LTC6268 di Linear Technology. (Fonte: Linear Technology)
Linear Technology ha progettato gli amplificatori operazionali con una bassa capacità di ingresso di 0,45 pF, nonché una tensione di ingresso di riferimento e una corrente di rumore di 4,3 nV/√Hz a 1 MHz e 5,5 fA√Hz a 100 kHz, rispettivamente. Gli amplificatori operazionali raggiungono un guadagno-larghezza di banda a 4 GHz.
Con amplificatori operazionali che offrono prestazioni superiori alle soluzioni analogiche integrate, vengono usati di più in sistemi ad alta prestazione e meno nell'elettronica per la fascia consumer, secondo quando affermato da John Caldwell, ingegnere di sistema degli amplificatori operazionali audio per Texas Instruments. “Le aziende che realizzano sistemi di acquisizione dati per le applicazioni di misurazione e test o il controllo del processo industriale sono molto interessati agli amplificatori operazionali, mentre una società che realizza altoparlanti Bluetooth possono non necessitare di amplificatori operazionali, poiché il loro prodotto può essere realizzato più rapidamente and conveniente con una soluzione integrata.”
Una ricerca continua nel design dell'amplificatore operazionale sta cercando di raggiungere un rumore basso con un consumo di potenza moderato, secondo quando affermato da Dwight Byrd, responsabile marketing di amplificatori operazionali per Texas Instruments.
“Una questione principale che stiamo affrontando a TI è la realizzazione di stadi di uscita a bassa potenza che mantengono la stabilità dei carichi capacitivi. Gli amplificatori operazionali possono essere realizzati per consumare quantità di potenza elettrica estremamente bassa, se non interagiscono mai con un carico capacitivo. Tuttavia, questo non è il caso nel mondo reale. Il circuito applicato, la scheda del PC e lo stesso pacchetto IC possono tutti contribuire alla capacità che può destabilizzare l'amplificatore operazionale, se questo non è opportunatamente progettato. Risolvere questa questione senza un consumo eccessivo di potenza è sempre un ostacolo per il design.”
Migliori tecniche di design hanno migliorato le prestazioni dell'amplificatore operazionale. Texas Instruments’ Byrd mostra l'esempio di TL072 della società (figura 2) che—con uno specifico rumore di tensione a banda larga di 18 nV/√Hz—un tempo era considerato un amplificatore a basso rumore.
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secondo quando affermato da Byrd, Texas Instruments ora offre il OPA170, il cui rumore a banda larga è 18 nV√Hz, ma consuma un decimo di potenza (110 µA rispetto a 1,4 mA). Gli amplificatori operazionali con ingresso JFET, come il OPA827, stanno ora spingendo per un campo del rumore sub-4 nV/√Hz e gli amplificatori operazionali bipolari, come il OPA211 e LME49990 sono vicini a 1 nV√Hz.
Figura 2: amplificatori operazionali TL072 di Texas Instruments’ (Fonte: Texas Instruments)
Le moderne tecnologie di taglio e le tecnologie dell'amplificatore chopper stanno anch'esse raggiungendo diminuzioni degli errori DC a causa di tensioni di offset e deriva termica, secondo quando affermato da Byrd di Texas Instruments.
Con tensioni di alimentazione in circuiti analogici che continuano a scendere da 5 V a 3,3 V e a volte a 1,8 V, continua ad emergere la capacità di funzionamento dell'amplificatore a bassa tensione.
“Per compensare la riduzione della tensione di ingresso e fornire persino migliori prestazioni in termini di distorsione armonica, molti driver del convertitore analogico-digitale ora presentano ingressi differenziali,” ha affermato Brian Black di Linear Technology.
Gli amplificatori completamente differenziali, quali il LTC6363 di Linear Technology comprendono ingressi differenziali e possono accettare un ingresso a terminazione singola o differeziale. LTC6363 è anche rappresentativo della tendenza dell'industria per amplificatori operazionali che hanno un'uscita rail-to-rail (il segnale dell'uscita può variare dalla tensione di alimentazione minima a quella massima). L'amplificatore operazionale ha una tensione di alimentazione compresa tra 2,8 e 11 V. Presenta una bassa distorsione di 115 dB a 2 kHz e un tempo di assestamento rapido di 780 ns a 18-bit, l'uscita picco-picco a 8 V.
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Il raggiungimento degli obiettivi di prestazione degli amplificatori operazionali sta diventando più semplice grazie ad un maggiore utilizzo della modellazione del dispositivo IC e strumenti software per il layout IC, secondo quando affermato da Byrd di Texas Instruments.
“Ora il processo di progettazione prevede un'indagine su come gli elementi parassiti della struttura IC influenzano la funzionalità e le prestazioni del circuito. Esaminando gli effetti degli elementi parassiti, si può ridurre l'effetto sorpresa quando abbiamo ricevuto il silicio, come la reiezione in modalità comune subisce un ulteriore degrado dovuto all'inevitabile mancata corrispondenza delle capacità di ingresso di un amplificatore.”