Amplificatori operazionali: guida dettagliata

Questi dispositivi sono caratterizzati da 3 piedini (terminazioni metalliche o pin) di cui due sono di ingresso e uno è di uscita. A questi si aggiungono due piedini per l’alimentazione, necessari a rendere operativo l’ampificatore operazionale ma spesso volutamente omessi nei disegni degli schemi elettronici.

Le due terminazioni d’ingresso sono indicate con due segni opposti (+ e -) e prendono il nome di ingresso invertente (-) e ingresso non invertente (+). Anche la doppia alimentazione, detta alimentazione duale, è indicata con due segni opposti, + per la tensione di alimentazione positiva e - per quella negativa. I segni si intendono rispetto la massa.

amplificatore operazionale

Negli schemi elettrci, il simbolo di un amplificatore operazionale è un triangolo dove ai vertici della base sono gli ingressi e al vertice opposto l’uscita.

La differenza di tensione ai capi dei due ingressi (V+ - V-) è detta tensione differenziale di ingresso.

L'amplificatore operazionale di ultima generazione appartiene alla famiglia dei circuiti integrati ossia tutti i suoi elementi (rete di resistenze, diodi e transistor) sono racchiusi in una piccola lastra di materiale semiconduttore e nell’insieme costituiscono un microcircuito. Il contenitore del circuito integrato è dotato di pin di collegamento. Nel circuito integrato a 8 pin possono stare anche un paio di amplificatori operazionali, con 2 pin utilizzati in comune per l’alimentazione. Esistono inoltre circuiti integrati da 16 pin dove trovano posto sino a 4 amplificatori operazionali .

amplificatore operazionale 8 pin

amplificatore operazionale 16 pin

Le caratteristiche dei vari operazionali sono fornite dai costruttori organizzate in manuali (Data Sheet) che spesso sono anche utilissime guide all'uso, corredate di esempi pratici e di dettagliate spiegazioni di vari possibili circuiti.

Nei data sheet i pin per convenzione sono numerati in senso antiorario guardando l’amplificatore operazionale dall’alto. Il primo pin viene segnalato tramite un’apposita linguetta nei modelli a contenitore in metallo oppure con una fenditura in quelli con contenitore in plastica.

Sin dalla loro nascita ​attorno al 1940 gli amplificatori operazionali hanno rivoluzionato l'elettronica analogica. La produzione successiva come circuiti integrati negli anni 60’, li ha resi più economici e con dimensioni miniaturizzate. Questi componenti integrati trovano oggi applicazione in svariati ambiti dell’elettronica come ad esempio i filtri attivi, la conversione analogico digitale o l’elaborazione dei segnali. Vengono inoltre utilizzati per l’amplificazione dei segnali, come generatori di corrente costante, come comparatori per confrontare due segnali e in molte altre applicazioni.

Il reale funzionamento di un AmpOp necessita di un’alimentazione che generalmente è duale ma può anche essere singola o unipolare. La tensione di alimentazione duale, o Dual Power Supply, è costituita da due valori uguali in valore assoluto e opposti di segno il cui range è di solito 5-20 Volt (in valore assoluto), con un valore tipico che comunemente è +-15 Volt .

Nelle alimentazioni unipolari (Single Power Supply) invece un esempio di range di alimentazione è 3-30 Volt (con la tensione negativa pari a zero).

Questi valori (minimi e massimi) sono comunque forniti dai costruttori ed elencati nei rispettivi data sheet, compreso il valore di tensione consigliato (valore tipico). Nelle caratteristiche tecniche spesso ci si riferisce a queste tensioni con il termine di “rail”.

Gli amplificatori operazionali con dual power supply hanno bisogno di un alimentatore particolare a 3 terminali: tensione positiva, tensione negativa e massa.

In un amplificatore operazionale la tensione di uscita non può essere maggiore a quella di alimentazione ma deve rientrare nel range della tensione ai capi dei morsetti di alimentazione. In alcuni amplificatori operazionali anche la tensione gli ingressi deve essere inferiore a quella di alimentazione.

Gli operazionali in cui la tensione in uscita ha un valore prossimo al valore assoluto dell’alimentazione, sono chiamati rail-to-rail in uscita. Esistono anche amplificatori oprazionali che funzionano a tensioni maggiori di ± 20V e che arrivano a ± 200V: sono dispositivi molto costosi, utilizzati ad esempio nelle strumentazioni scientifiche più sofosticate, nei dispositivi elettromedicali, o anche nei driver di alcune stampanti. Se l’alimentazione ha una tensione non adatta al funzionamento dell’AmpOp, la tensione di uscita si distorce (fenomeno di clipping o taglio dei picchi della tensione).

Le caratteristiche elettriche degli amplificatori operazionali sono descritte nelle schede tecniche (data sheet) fornite dal costruttore. Anche se non c’è uno standard uguale per tutti, in genere il data sheet descrive il componente, presenta uno schema elettrico del circuito interno, illustra la disposizione dei pin, elenca il valori massimo assoluto dei parametri, descrive le caratteristiche elettriche e le curve di comportamento.

Ecco alcuni dei parametri principali:

Tensione di alimentazione: il massimo valore assoluto di tensione che può essere usato quando si alimenta l’amplificatore operazionale.

Dissipazione interna di potenza: il massimo valore di potenza che il componente può dissipare ad una data temperatura ambiente, variabile anche in base al materiale con cui è fatto il contenitore. La potenza dissipata implica produzione di calore. I valori di solito sono contenuti a meno che gli Amp.Op. non abbiano tensioni di alimentazione elevate o siano in grado di generare in uscita correnti elevate (amplificatori operazionali di potenza).

Differenza di tensione tra gli ingressi: il valore massimo di tensione che può essere applicato tra l’ingresso positivo e quello negativo.

Tensione di ingresso: il valore massimo di tensione che può sussistere simultaneamente tra ciascuno dei 2 ingressi e la massa (tensione di modo comune).

Durata di cortocircuito sull’uscita: l’intervallo di tempo in cui l'uscita può restare in corto circuito con la massa o con le tensioni di alimentazione.

Tensione di offset in ingresso: il valore di tensione che deve avere uno dei terminali di ingresso per ottenere in uscita una tensione nulla.

Corrente di offset di ingresso: la differenza che esiste tra le due correnti di ingresso quando la tensione d'uscita è pari a zero, con componente a riposo.

Resistenza di ingresso di modo differenziale: la resistenza che si ha tra i due ingressi.

Resistenza di uscita: la resistenza che il componente presenta verso il carico, misurata tra uscita e massa.

Corrente di uscita di corto circuito: il massimo valore di corrente in uscita che il componente può fornire ad un carico.

Massima escursione della tensione di uscita: il massimo valore di tensione di picco in uscita che il componente può produrre senza entrare in saturazione o tagliare il segnale.

La scelta degli amplificatori operazionali deve sempre tener conto delle caratteristiche del circuito analogico in cui si vogliono inserire questi componenti e non può prescindere dalla lettura della scheda tecnica fornita dal costruttore.

In commercio, gli amplificatori operazionali sono caratterizzati da codici specifici composti da un prefisso che identifica il produttore, una parte numerica che individua il tipo di componente, una parte letterale che indica l’intervallo di temperatura di lavoro ma anche la serie (commerciale o industriale o militare). Nel codice dell’amplificatore operazionale può anche essere indicato se ci sono parametri con prestazioni superiori.