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Op Amp 1 Amplificatori Operazionali teoria, parametri, configurazioni, applicazioni e circuiti tipici insomma… tutto sugli Op Amp!

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Presentazione sul tema: "Op Amp 1 Amplificatori Operazionali teoria, parametri, configurazioni, applicazioni e circuiti tipici insomma… tutto sugli Op Amp!"— Transcript della presentazione:

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2 Op Amp 1 Amplificatori Operazionali teoria, parametri, configurazioni, applicazioni e circuiti tipici insomma… tutto sugli Op Amp!

3 Op Amp 2 Indice Amplificatori Operazionali è possibile accedere a ciascuna sezione con un click sul testo Indice generale 3 - OpAmp ideali e reali (i parametri dei fogli tecnici) 1 - Generalità 2 - Le configurazioni di base (con simulazioni)

4 Op Amp 3 Amplificatori Operazionali Indice 3 a sezione 3 - OpAmp ideali e reali i parametri dei fogli tecnici è possibile accedere direttamente ad uno specifico argomento con un click sul testo, oppure premere Pag per continuare nellordine i valori massimi assoluti il guadagno a catena aperta la tensione di offset resistenza e corrente dingresso il CMRR il segnale duscita lo slew-rate

5 Op Amp Op Amp ideali e reali 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. 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. 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. I fogli tecnici iniziano fornendo alcuni dati generali, quali le principali caratteristiche, le indicazioni dimpiego, il contenitore, le versioni disponibili, la piedinatura e lo schema interno.

6 Op Amp I valori massimi assoluti 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 dellamplificatore. Nelle tabelle successive sono riportati i parametri tipici. Essi differiscono da quelli fin qui considerati per loperazionale ideale. Vediamo come. 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. In questa tabella vengono indicati i seguenti limiti: Parametro simbolovalore Tensione di alimentazione V CC ±18 V Tens. dingresso differenziale V ID ±30 V Tens. dingresso modo comune V ICR ±15 V Corrente duscita di cortocirc. I OS ±5 mA Potenza dissipabile P D 0.5 W Temperatura ambiente T A °C Temperatura di immagazzinam. T STG °C Quelli qui riportati sono i valori limite della maggior parte degli Op Amp, anche se possono differire notevolmente da un dispositivo allaltro. 3 - Op Amp ideali e reali

7 Op Amp Op Amp ideali e reali Parametrosimboloidealereale Guadagno a catena apertaA VOL infinito10 5 (100 dB) Resistenza dingressoR I infinita1 Mohm Resistenza duscitaR O nulla100 Ohm Reiezione di modo comuneCMRRinfinita10 4 (80 dB) Banda passante a catena apertaBWinfinita100 Hz Vediamo in dettaglio che cosa significano questi parametri, come vanno interpretati e che importanza pratica hanno nelle applicazioni reali Guadagno a catena aperta Si definisce guadagno di tensione a catena aperta (A VOL ) lamplificazione che il circuito interno delloperazionale applica sul segnale dingresso, indipendentemente dalla rete resistiva esterna, e quindi rappresenta in pratica il rapporto fra le ampiezze dei due segnali duscita e dingresso. E quindi ovvio che, se A VOL non è infinito, il valore del guadagno impostato dallutente non è più quello desiderato, bensì un po inferiore. Lerrore che si compie è tanto più grande quanto maggiore è il guadagno reazionato Av, impostato con i resistori. Il guadagno A VOL deve essere il più elevato possibile, e ciò al fine di non influenzare il valore del guadagno a catena chiusa Av, ovvero quello determinato dallutente con una rete resistiva. torna allindice

8 Op Amp Op Amp ideali e reali Il guadagno può venir espresso come valore assoluto (ad esempio 10 5 ), come rapporto V/mV (10 5 = 100 V/mV) o in decibel (10 5 = 100 dB). Dai fogli tecnici si vede, però, che il guadagno A VOL 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 V CC fino a ben 300 V/mV con ±20V di alimentazione Ciò significa che se la V CC non è stabile, insorge una distorsione di ampiezza nel segnale duscita. Si noti inoltre che il grafico precisa R L = 2Kohm, e infatti il guadagno diminuisce con laumentare della corrente duscita. Ad esempio, se il guadagno A VOL è 10 5, lerrore ottenuto è pressoché nullo per guadagni Av bassi (fino a 10), mentre diviene dello 0.1% per Av = 100 e dell1% per Av = Ciò condiziona tutte le applicazioni di precisione.

9 Op Amp Op Amp ideali e reali Il guadagno a catena aperta A VOL subisce una diminuzione allaumentare della frequenza del segnale applicato, e ciò a causa di un condensatore realizzato internamente al circuito integrato. Ciò significa che per amplificare un segnale audio (fino a 20KHz) non si può superare un guadagno di 100! In questo grafico dellHA2520 si vede come il guadagno - oltre che dalla tensione - dipende dalla temperatura. Ciò significa che in unapparecchiatura, dallistante dellaccensione fino a regime, variano i parametri di funzionamento (valore di zero, di fondo scala, ecc) Ad esempio, nellOp Amp TL081 il guadagno scende da 2·10 5 a 10Hz fino a solo 10 a 500KHz!

10 Op Amp Op Amp ideali e reali Come di vede qui a sinistra per lOp Amp HA2520, il prodotto guadagno-larghezza di banda può infatti variare in funzione della tensione di alimentazione e della temperatura ambiente. Dallultimo 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 (A VOL ·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 delloperazionale nonché il suo guadagno - non è però una costante, ma può variare con molti parametri. Accanto allandamento del guadagno, il costruttore fornisce anche il diagramma di Bode della fase, riportato qui a lato nel caso del µA741. torna allindice

11 Op Amp Tensione di offset Se si cortocircuitano fra di loro gli ingressi di un operazionale, luscita 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 dallutente, 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 duscita. Essa viene chiamata tensione di offset V IO, ed è pari ad alcuni millivolt. Alcuni operazionali dispongono di appositi pin per lazzeramento delloffset. Tale azzeramento è importante, poiché a causa dellelevato valore del guadagno, una V IO (non azzerata) anche solo di pochi millivolt è sufficiente a portare in saturazione luscita delloperazionale (V O = +V CC oppure -V CC ). E importante conoscere non solo il valore delloffset, ma anche la sua deriva termica, poiché essa può compromettere le applicazioni di precisione nonché la strumentazione elettronica. Viene definita anche una corrente di offset I IO, definita come la corrente che è necessario applicare agli ingressi per azzerare luscita; normalmente vale alcune decine di nA. 3 - Op Amp ideali e reali

12 Op Amp Resistenza e corrente dingresso Lamplificatore operazionale è costruito in modo da presentare una resistenza dingresso pressoché infinita. In realtà non è così, ed il costruttore indica sui fogli tecnici il valore della resistenza dingresso Rin e della corrente dingresso (o di bias) I B. ParametrosimbolobipolariJ-FetCmos Resistenza dingressoR I 1 Mohm1 Gohm1 Tohm Corrente dingressoI B 1 µA1 nA1 pA Si noti come la corrente dingresso subisca derive termiche opposte per gli Op Amp bipolari (a sinistra il µA741) e Fet- input (a destra il TL081). 3 - Op Amp ideali e reali torna allindice

13 Op Amp Il CMRR Proprio poiché loperazionale è progettato per amplificare la differenza fra le due tensioni dingresso, 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 lamplificazione 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 delloperazionale. 3 - Op Amp ideali e reali

14 Op Amp Il segnale duscita Abbiamo detto che se loperazionale è a catena aperta (oppure se lutente gli conferisce un guadagno elevato), è facile che tensioni dingresso anche di pochi millivolt siano in grado di portare luscita in saturazione. Il costruttore definisce a questo proposito qual è lampiezza ottenibile in uscita senza provocare una distorsione dampiezza o addirittura un clipping del segnale. Questa escursione massima (detta anche swing) è ovviamente funzione dellalimentazione. Proprio a causa dei resistori di limitazione, lo swing duscita V OM è fortemente condizionato anche dalla resistenza di carico, come qui mostrato per il µA741. Il segnale duscita, infatti, può al massimo raggiungere la tensione di alimentazione meno la tensione di saturazione dei transistor duscita nonché la caduta sui resistori di limitazione della corrente duscita. 3 - Op Amp ideali e reali

15 Op Amp 14 In alternativa allandamento V OM /R L viene fornito landamento della V OM in funzione della corrente duscita I O, da cui si nota la dipendenza dalla temperatura. Si può quindi dedurre che un operazionale, per poter evidenziare la massima escursione della tensione duscita, deve erogare una corrente duscita la più ridotta possibile. Si noti inoltre, dal grafico qui a lato per lLF411, che la resistenza duscita cresce allaumentare della frequenza e allaumentare del guadagno Av. Ciò significa che lo swing duscita è maggiore per bassi guadagni, e in alta frequenza le capacità interne limitano la tensione picco-picco sul carico. 3 - Op Amp ideali e reali torna allindice

16 Op Amp Slew-rate Lo slew rate (SR) rappresenta la massima velocità di variazione del segnale duscita 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 allingresso. In altri termini, esiste un limite preciso alla massima frequenza di un segnale correttamente amplificabile dalloperazionale, 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 duscita è dimezzato rispetto a 1 KHz! La conseguenza di questo fenomeno è che unonda quadra viene trasformata in trapezoidale, ed una sinusoidale in triangolare. segnale duscita, limitazione dovuta allo slew-rate segnale dingresso Ciò costituisce una seria limitazione alla banda passante, soprattutto se luscita deve riprodurre segnali di elevata ampiezza. 3 - Op Amp ideali e reali

17 Op Amp 16 La conseguenza si può vedere nelloscillogramma qui sopra riportato, che mostra come, allaumentare della frequenza, si osservi una sensibile riduzione dellampiezza del segnale duscita. 10KHz20KHz100KHz Lo slew-rate è funzione della temperatura (come si vede qui a lato per lLF441) e inoltre, comè ovvio, della tensione di alimentazione nonché del carico, soprattutto se capacitivo! 3 - Op Amp ideali e reali torna allindice


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