Amplificatori operazionali in evoluzione

Apertura

Quando si pensa a un protagonista rappresentativo del settore dei circuiti analogici, viene subito in mente l’amplificatore operazionale. Tuttavia, con la crescente diffusione del digitale, si riducono le opportunità di saperne di più sull’analogico, nonostante il continuo aumento della domanda di op-amp. Tra i vari tipi di op-amp disponibili, il più utilizzato di sempre è quello standard. La vera sorpresa, però, è sapere che rimane il prodotto di punta di molti fornitori di componenti. D’altro canto l’evoluzione e la diversificazione degli op-amp in termini di bassi consumi, basso rumore, basso offset e velocità elevata continuano a progredire. Si assiste anche a un ampliamento degli intervalli operativi (rail-to-rail) e a una tendenza verso tensioni inferiori. Anche gli op-amp in tecnologia Cmos sono sempre più caratterizzati da bassi livelli di rumore e da altri importanti parametri elettrici. A parte la tendenza verso basse tensioni operative per apparecchiature in ambito industriale, sta diventando urgente la richiesta di prodotti Cmos ad alta tensione. I package diventano sempre più compatti, fino a 2 x 3x 0,6 mm, prova evidente della notevole evoluzione delle tecnologie di montaggio. Si parla spesso di componenti ad alta affidabilità destinati a veicoli e altre applicazioni. Questi componenti per il settore automobilistico sono caratterizzati da un intervallo di temperature d’esercizio più ampio e valori nominali garantiti nell’intero range di temperatura, oltre a miglioramenti nei processi di lavorazione dei wafer che devono resistere ai test di affidabilità condotti sui veicoli. Inoltre il processo produttivo di assemblaggio viene controllato e gestito secondo le specifiche dello standard automotive.


Op-amp per ogni applicazione
Il modo più veloce per diventare un esperto nella progettazione di op-amp consiste nel prendere familiarità con il modello standard e i relativi modi di utilizzo. In effetti, in molti dei circuiti che utilizzano op-amp, è possibile ottenere un corretto funzionamento utilizzando prodotti standard. Nel caso in cui i segnali trattati siano molto piccoli o molto veloci o si debba utilizzare un’alimentazione a bassa tensione, esiste la possibilità di selezionare il componente migliore tra le varie tipologie di op-amp e categorie a seconda dell’applicazione. Da qualche anno gli op-amp 358 e 2904 di Rohm Semiconductor sono considerati dei componenti standard di settore. Si tratta di due prodotti di uso generale dotati di due blocchi circuitali (in origine erano denominati LM358 e LM2904) ma, essendo molto diffusi, molte società hanno iniziato a inserire i loro codici in modelli equivalenti. Per inciso, il BA2904 ha quasi le stesse caratteristiche elettriche del BA10358, ma con una maggiore tolleranza alle alte tensioni e un più ampio intervallo di temperature d’esercizio. È molto utile conoscere sia i modelli standard che quelli specifici con tutte le varianti disponibili per applicazioni particolari. È utile anche ricordare l’ordine numerico delle cifre che compongono il codice perché spesso indicano dati tecnici importanti, come ad esempio la tensione di offset.
Oltre a ricordare le costanti del circuito usate nell’op-amp standard, ci si dovrebbe anche abituare a riflettere sul perché tali valori siano adeguati. Questo perché si tratta di circuiti e costanti maturi, che hanno subito una riduzione dopo che sono stati presi in considerazione fattori quali caratteristiche prestazionali generali, probabilità di guasto, costi e disponibilità. Conoscendo sempre meglio i circuiti che utilizzano amplificatori operazionali standard, presto ci si renderà conto che quelli per uso generale non sono necessariamente migliori solo perché sono superiori in termini di design e facilità d’uso. Si devono prendere in considerazione numerosi altri fattori che spiegano la vasta gamma di op-amp presente sul mercato.
Ad esempio, ci sono state lunghe discussione in merito alla tensione di uscita maggiore di quella fornita dal popolare BA10358. Dopo un’approfondita indagine è emerso che i problemi verificatesi erano dovuti a un aumento del limite inferiore della tensione di uscita nel caso in cui un current sink venga applicato ad alimentatori a singola uscita. Questo fenomeno è causato dalle particolari caratteristiche del BA10358 in termini di tensione e corrente di uscita e non riguarda altri operazionali Cmos. Per questo è necessario conoscere a fondo le funzioni e le caratteristiche di ogni circuito analogico, operazionali inclusi. Ed è altrettanto importante consultare la scheda tecnica che contiene moltissime informazioni (come ad esempio specifiche e caratteristiche). Il BA10358 può fornire una tensione quasi a livello di massa quando la corrente di sink di uscita è 10μA o inferiore. Ma in caso di correnti di sink di uscita superiori a questo valore impediscono alla tensione di uscita di raggiungere il livello Gnd.

Caratteristiche e dati
Di primo acchito, però, può sembrare scoraggiante sentirsi dire che occorre capire bene le caratteristiche indicate nella scheda tecnica. Tanto per fare un esempio concreto, esaminiamo il rapporto tra offset, corrente di bias e Cmrr negli amplificatori operazionali Cmos. Rispetto agli op-amp bipolari, le variazioni di temperatura della corrente di bias di ingresso (Ib) per op-amp Cmos a bassa tensione sono maggiori, il che rende necessarie alcune considerazioni in caso di circuiti ad alta impedenza. Per inciso, sull’Ib influisce la tensione di modo comune anche se in modo contenuto.
Normalmente questo non è un gran problema. Però, a seconda della tensione di modo comune, occorre tenere d’occhio gli op-amp in cui l’Ib è elevata e varia continuamente. In questi casi la tensione di modo comune che esiste esternamente in forma di rumore viene considerata una variazione innaturale della tensione di uscita. Le oscillazioni innaturali dell’offset sono associate alla tensione di modo comune e al Cmrr (Common Mode Rejection Ratio). In genere, sebbene il Cmrr sia destinato a focalizzarsi su più caratteristiche di frequenza di quelle acquisite in base a contromisure per la soppressione del rumore, anche la tensione di modo comune è Dc (anche se attenuata dal componente Cmrr). Si aggiunge al segnale e compare all’uscita (la pendenza della riga blu corrisponde al Cmrr). Pertanto, per ridurre al minimo l’errore, il Cmrr deve essere il più possibile elevato. Inoltre le variazioni dell’offset di tensione degli op-amp Cmos del tipo ‘full swing’ in genere non sono uniformi e spesso comportano una distorsione che, ad un determinato livello, diventa quasi incrementale. Questo accade perché i circuiti interni (stadi differenziali d’ingresso Pmos e Nmos) vengono commutati in base alla tensione d’ingresso degli op-amp Cmos full-swing di tipo tradizionale. Per questo recentemente sono stati introdotti op-amp caratterizzati da un Cmrr elevato e un funzionamento full-swing senza commutazione.

Produzione integrata
Il fatto che non esistano limiti al grado di comprensione e controllo raggiungibile e che ci siano illimitate possibilità di utilizzo, è solo uno dei motivi che rende l’analogico così interessante. Specialmente quando si tratta di dispositivi e circuiti analogici, il progettista dovrebbe sempre prestare attenzione al fornitore del componente, considerando i suoi punti di forza, le capacità e la qualità dei prodotti. Ad esempio, essendo ormai diventata un’abitudine fare progettazioni e valutazioni usando simulatori di circuiti, è opportuno verificare se siano disponibili modelli Spice specifici o se la scheda tecnica contenga informazioni sufficienti e adeguate. Ed è sorprendente come la disponibilità di ulteriori strumenti di supporto, come materiali e seminari di studio, possa fare la differenza anche per chi non ha esperienza.
In conclusione, scegliere un fornitore che sia in grado di offrire un supporto tecnico completo e una vasta gamma di prodotti realizzati mediante un sistema di produzione interno integrato, garantisce forniture stabili e senza problemi e grande affidabilità, sia quando si tratta di affrontare problematiche e situazioni impreviste che possono riguardare dispositivi analogici o altri prodotti usati in combinazione, sia quando si acquistano componenti destinati alla produzione in serie.

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