L'amplificatore operazionale

L'amplificatore operazionale

L'amplificatore operazionale (denominato anche AMP-OP o OP-AMP) è un dispositivo a stato solido, oggi molto utilizzato nell'industria elettronica. Il simbolo elettrico è un triangolo con due ingressi su un lato e un'uscita sul vertice opposto. I due ingressi sono riconoscibili dalla presenza del segno "+" e del segno "-" e vengono denominati rispettivamente ingresso "non invertente" (non-inverting) e ingresso invertente (inverting).

Sono anche chiamati amplificatori in continua nel senso che sono capaci di amplificare segnali a frequenza nulla (corrente continua), oltre che segnali a frequenza non nulla. Il guadagno Aol viene detto guadagno in catena aperta (open-loop o "ad anello aperto"), per distinguerlo dal guadagno retroazionato Ar. Nel caso dell'operazionale ideale, il guadagno open-loop vale infinito.

In genere viene alimentato da due tensioni uguali in modulo ma di segno opposto. Lo schema interno di un amplificatore operazionale integrato è piuttosto complesso e presenta un certo numero di transistor, oltre che diodi e resistori, in soluzioni circuitali difficilmente realizzabili con componenti discreti. Solo con le attuali tecnologie è stato possibile integrare tutto questo in un unico chip di silicio che è il materiale base con cui vengono realizzati tali dispositivi.

Gli operazionali prendono anche il nome di circuiti "integrati lineari", categoria in cui rientrano i regolatori e gli stabilizzatori di tensione nonché tutte quelle applicazioni denominate "custom" come i mixer, i modulatori e gli amplificatori audio, progettate su specifiche richieste del committente.

Generalità

L'AMP-OP in origine, agli inizi degli anni '60 del secolo scorso, venne realizzato per essere impiegato nel calcolo analogico, per eseguire operazioni di tipo matematico (quali la somma, la differenza, il logaritmo, ecc.) su grandezze elettriche (di solito tensioni). Dalle prime strutture circuitali a componenti discreti, costruite con tubi a vuoto e poi con transistor, si è passati alle forme integrate (monolitica e ibrida) che oggi risultano le più largamente utilizzate.

La continua evoluzione, tecnologica e circuitale, ha portato ad ottenere componenti sempre migliori nei valori dei parametri elettrici, i quali hanno visto variazioni di diversi ordini di grandezza (ad esempio, l'impedenza d'ingresso è passata da alcune centinaia di kOhm nelle versioni con transistor BJT fino ai 1000 MOhm nelle versioni con transistor FET); anche le correnti di polarizzazione sono scese, dai microampere ai picoampere.

L'elevato numero di versioni disponibili dell'AMP-OP offre al progettista un'ampia possibilità di scelta che, unita alle ottime proprietà e alla elevata affidabilità del dispositivo, lo rendono utilizzabile in una vasta gamma di applicazioni sia di elettronica lineare che di quella non lineare. In tempi recenti sono apparsi l'operazionale di potenza in versione integrata e i regolatori di tensione monolitici, in grado di fornire correnti d'uscita attorno ai 10A. Questi modelli vengono costruiti sia per applicazioni audio che per controlli industriali, permettendo di pilotare carichi a bassa impedenza senza alterare il guadagno e senza distorcere il segnale; tutto ciò richiede una bassa impedenza d'uscita dell'amplificatore e uno stadio finale sufficientemente dimensionato che impiega transistor con una dinamica del segnale piuttosto ampia.

Alcuni costruttori realizzano questi operazionali in soluzione ibrida con cui è possibile raggiungere valori di corrente di alcune decine di ampere. Esistono esemplari a componenti discreti ad elevata densità di integrazione in cui si hanno ampie possibilità di progetto e le massime prestazioni (con costi e ingombri che, però, non sono paragonabili ai tipi precedenti).

Lo schema a blocchi di un AMP-OP è composto da quattro stadi in cascata: due amplificatori differenziali in cascata alimentano un blocco separatore ad alta impedenza d'ingresso in modo da non ridurre il guadagno e l'uscita di quest'ultimo pilota il driver finale costruito in modo da fornire corrente e tensione al carico e tale da presentare una bassa resistenza d'uscita (che di solito si ottiene applicando in esso una opportuna reazione, ad es. di tipo Shunt-Shunt).

La presenza del primo blocco differenziale è giustificata dal fatto che l'AMP-OP è un amplificatore differenziale che può essere utilizzato sia in configurazione inverting che in quella non-inverting, estendendo la sua flessibilità d'uso. L'inserimento del secondo blocco differenziale si spiega per tre motivi:

• Il primo stadio, oltre all'ingresso, ha anche l'uscita differenziale e ciò consente di ottenere un ottimo bilanciamento (offset);
• Il primo stadio, per soddisfare l'esigenza di presentare un'alta impedenza in ingresso, di solito "guadagna" poco e quindi il secondo stadio permette di ridurre l'effetto degli sbilanciamenti dei singoli blocchi;