Il più preciso op-amp nano-power

La smart revolution, caratterizzata da una miriade di sensori che misurano tutto e tutti, porta con sé un vero e proprio paradosso: questo mondo sempre più digitale è anche molto analogico. Molti dei componenti utilizzati per misurare e tenere sotto controllo le diverse variabili ambientali utilizzano un sistema analogico microelettromeccanico. Una delle sfide intrinseche di questi componenti è la necessità di amplificare i segnali che generano, che sono di ampiezza ridotta. Per questo motivo i tecnici utilizzano un amplificatore operazionale per condizionare il segnale da inviare al componente digitale. Questo, però, può consumare molta potenza e introdurre notevoli imprecisioni, a scapito dell’efficacia dei sensori a basso consumo. Iniziamo quindi a capire il motivo per cui le eccellenti caratteristiche del dispositivo TSU111 di STMicroelectronics hanno colto di sorpresa il mercato rendendo possibile ciò che prima si reputava impossibile.

Nuovo record di prestazioni

Con un consumo di corrente di soli 900 nA a 25 °C, il TSU111 fa tesoro della grandissima esperienza di ST nella gestione della potenza ed è uno degli amplificatori operazionali con i consumi più bassi presenti nel catalogo dell’azienda. Solo il  TSU101, infatti, richiede un’energia inferiore poiché assorbe solo 580 nA. Tuttavia, mentre quest’ultimo ha una tensione di offset di 3 mV, il TSU111 ha una tensione massima di offset in ingresso di soli 150 µV, il che lo rende decisamente più preciso pur rimanendo al di sotto di 1 µA. In un mondo perfetto, il segnale analogico catturato dal sensore dovrebbe essere amplificato perfettamente da un amplificatore operazionale con guadagno infinito. In questo scenario teorico se si applicasse una tensione di 0 V in ingresso, la tensione in uscita dell’amplificatore operazionale dovrebbe essere di 0 V. Sfortunatamente, le leggi della fisica che governano la vita reale sono molto più complicate e il passaggio del segnale attraverso l’amplificatore risente del rumore e del disaccoppiamento tra i componenti elementari all’interno del dispositivo, con la conseguenza di errori e imprecisioni. Se ritorniamo all’esempio precedente, dobbiamo constatare che l’applicazione di una tensione di 0 V all’ingresso di un amplificatore operazionale del mondo reale avrà come risultato una tensione positiva o negativa in uscita, in base al dispositivo. Tanto maggiore è la differenza tra le tensioni in ingresso e in uscita, quanto meno preciso è l’amplificatore operazionale. Per meglio quantificare questa precisione, dobbiamo valutare la tensione di offset in ingresso, cioè la tensione che è necessario applicare ai terminali d’ingresso per generare una tensione di 0 V in uscita. La tensione di offset del TSU111 è solo di 150 µV, rispetto ai  3 mV del TSU101: una differenza enorme con un impatto molto significativo sulla precisione rispetto a quanto era inizialmente possibile con le generazioni precedenti di amplificatori operazionali nano-power.

Enorme versatilità applicativa

Nonostante il TSU111 sia notevolmente più preciso rispetto al TSU101, ST è riuscita a mantenere il medesimo intervallo di tensione di alimentazione, da 1,5 V a 5,5 V. Una tensione così bassa, unita a una corrente sub-micro in ingresso all’amplificatore significa che il TSU111 è in grado di funzionare per più di 25 anni con una batteria a bottone di tipo CR2032 da 220 mAh! Inoltre, l’aggiunta di diversi amplificatori operazionali di questo tipo ha un impatto assolutamente trascurabile sui consumi totali del sistema, il che rende il TSU111 ideale per tutte le applicazioni che devono funzionare per molto tempo senza dover cambiare la batteria, come i rilevatori di CO, O2, e H2S utilizzati in ambito domestico e industriale. Il TSU111 eredita anche l’architettura rail-to-rail del TSU101; ciò significa che la linea che alimenta la circuiteria può alimentare anche l’amplificatore operazionale, semplificando notevolmente il progetto e, al tempo stesso, aumentando la gamma dinamica dell’uscita per garantire che possa raggiungere il massimo valore negativo e positivo dell’alimentazione. Un aspetto particolarmente importante perché una struttura rail-to-rail è indispensabile nelle applicazioni più piccole. Infine, il TSU111 ha un prodotto tipico guadagno-banda di 11,5 kHz, particolarmente elevato rispetto agli 8 kHz del TSU101. In parole povere, questo aiuta a determinare il guadagno massimo raggiungibile dall’amplificatore operazionale a una determinata frequenza; ciò spiega perché il TSU111 è ideale nelle applicazioni fotovoltaiche. Per catturare in modo efficiente la corrente generata da un fotodiodo spesso è necessario un convertitore corrente-tensione e, grazie alla sua elevata ampiezza di banda e alla ridotta corrente di polarizzazione, l’amplificatore operazionale può migliorare notevolmente l’efficienza del progetto ottimizzando questo particolare tipo di conversione.

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