5. Parametri Reali di un A.O.

Un A.O. reale è in genere costituito da uno stadio differenziale di ingresso , seguito (in cascata) da uno stadio a emettitore (o a source) comune e da un inseguitore di emettitore (o di suorce).

Fanno da corollario tutti i circuiti necessari per la polarizzazione, l’accoppiamento, laretroazione, ecc…

La figura 13 fornisce un valido esempio di quanto complessa sia la struttura di unA.O. comunemente in commercio:

In sostanza quindi un A.O. può essere visto come una complessa composizione di stadi diamplificazione e circuiti di polarizzazione, il cui effetto finale è quello di ottenere parametri il piùpossibili approssimabili alle caratteristiche ideali elencate nella sez. 2.2.

Sta di fatto che, valutando il comportamento di un A.O. con una certa precisione, emerge un significativo scostamento tra le caratteristiche ideali attese e i parametri reali effettivamenteottenuti.

Qui di seguito verranno elencati i principali parametri che caratterizzano un A.O. reale.

5.1. Corrente di polarizzazione di ingresso

L'A.O. reale, a differenza di quello ideale, assorbe all'ingresso una corrente, necessaria per poterpolarizzare i dispositivi (BJT o FET) presenti all'ingresso.

L'ordine di queste correnti è di 500 nA per i BJT e 50 pA per i FET.

Se indichiamo con IB+ la corrente che scorre all'ingresso non invertente e IB- quella che scorreall'ingresso invertente, definiamo Corrente di Polarizzazione di ingresso la media aritmetica di queste due correnti:

A titolo di esempio, possiamo valutare l'errore causato da IB in un amplificatore invertente.v Facciamo perciò riferimento al circuito di figura 14:
Supponiamo Vi = 0. Si ottiene: V+ = 0 e anche V- è nulla. Si nota allora che:

• IB+ si chiude direttamente a massa;
• IB- scorre solo su Rf perché sulla R non scorre corrente essendo la sua ddp nulla.

Ciò determina una tensione di uscita pari a: Vu = -Rf • IB-.

Se R è molto elevata (es. 1 MOhm) e IB = 500 nA (come di fatto può accadere nella realtà), anche afronte di un ingresso nullo (Vi=0) si ha una uscita decisamente significativa (Vu = -0,5V).

Errori di questo tipo possono apparire intollerabili; per ridurre tale effetto la tecnica più usatavconsiste nel fare in modo che le resistenze viste dai due terminali di ingresso verso massac oincidano. Si può ottenere questo obiettivo inserendo tra il terminale non invertente e massa una resistenza di compensazione di valore Rc = R//Rf: la cdt provocata da IB+ in questa resistenzacompensa la cdt provocata da IB-, e quindi nel complesso le correnti di polarizzazione hanno effettonullo (figura 15):

Questo accorgimento ha effetto solo se le due correnti sono uguali, ma per la inevitabiledissimmetria dello stadio di ingresso esiste una differenza tra le due correnti di polarizzazione.Questa differenza è detta Corrente di Offset ed è definita come:
Ordinariamente, questa corrente è dell'ordine di 200 nA per i BJT e 10 pA per i FET, e produce un errore pari a: Vu = Rf× IOS. Affinché questo errore sia il minore possibile , è necessario impiegareun valore di Rf non troppo elevato (al max dell’ordine della decina di kOhm).

5.2. Tensione di offset di ingresso

Applicando all'ingresso di un operazionale reale un segnale nullo, all'uscita ci sarà, a differenzadell'operazionale ideale, una tensione diversa da zero, anche adottando gli accorgimenti visti nelprecedente paragrafo.

Questa fenomeno inatteso è dovuto alle inevitabili dissimetrie interne dell'operazionale stesso. L'effetto che ne deriva è una traslazione orizzontale della caratteristica di trasferimento. L’errore causato da questo fenomeno può essere quantificato introducendo un nuovo parametrodi tensione (detto Tensione di offset di ingresso VOS), definito come il valore di tensione continua di correzione da applicare all'ingresso non-invertente al fine di annullare la Vu, quando Vi è nulla.

La conoscenza del valore di VOS consente di prendere le opportune precauzioni per una sua correzione.

Prendendo ad esempio un amplificatore invertente e ponendo sul terminalle noninvertente un generatore costante di valore VOS (figura 16), automaticamente verrà bilanciatol’effetto della tensione di offset in ingresso. Simili accorgimenti possono essere assunti in qualsiasi altra configurazione, sempre allo scopo di annullare l’effetto di eventuali sbilanciamenti di tensionein ingresso.

5.3. Resistenza di ingresso

Per definizione, la resistenza di ingresso di un quadripolo è definita dal rapporto tra una genericatensione applicata in ingresso e la corrente di ingresso che ne deriva (sotto la condizione didisattivazione di tutti i generatori di tensione e di corrente indipendenti):

Ora, l’A.O. ha due ingressi, e ciò rende necessaria la definizione di due tipi di resistenza di ingresso:

Resistenza Differenziale (Rd)

La resistenza differenziale Rd rappresenta la resistenza “vista” tra il terminale noninvertente e quello invertente (fig. 17).

Di solito è dell'ordine di qualche MOhm fino ad arrivare a varie migliaia di MOhm se gli ingressi dell’A.O.sono realizzati con tecnologia JFET o MOSFET.
L’effetto della resistenza differenziale è un assorbimento (seppur piccolo) di corrente dai terminali di ingresso, quando tra questo è presente una tensione Vd diversa da 0.

Tale corrente, interessando la rete di retroazione dell’A.O. possono provocare modifiche significative suiparametri di guadagno dello stadio amplificatore.

Resistenza A Modo Comune (Rc)

La resistenza a modo comune Rc rappresenta la resistenza “vista” tra ogni terminale di ingresso e la massa (fig. 18).

L’effetto della resistenza a modo comune è un assorbimento (seppur piccolo) di corrente daiterminali di ingresso, quando tra uno di questi e la massa è presente una tensione diversa da 0.

Tale corrente, interessando la rete di retroazione dell’A.O. può provocare modifiche significative suiparametri di guadagno dello stadio amplificatore.

5.4. Resistenza Di Uscita (Ro)

In un quadripolo generico, la resistenza di uscita Ro è definita dal rapporto tra una genericatensione presente sull’uscita del quadripolo e la corrente che ne consegue, quando i generatori ditensione indipendenti sono cortocircuitati e quelli di corrente aperti:

Nel caso reale, la resistenza di uscita di un A.O. non è nulla (come nel caso ideale), ma ha unvalore significativo che, sotto certe condizioni, può dare luogo indesiderati effetti di carico, con unaconseguente riduzione del guadagno effettivo.


Pur non essendo nulla, la Ro di un comune A.O. è comunque molto bassa: generalmente non supera l’ordine di grandezza della decina di Ohm.
Per limitarne gli effetti indesiderati della Ro, è necessario non sovraccaricare mai l’uscitadell’A.O. e quando necessario, fornire i necessari stadi di disaccoppiamento tra uscita e carico.

5.5. CMRR (Rapporto di reiezione a modo comune)

Si definisce Rapporto di Reiezione a Modo Comune CMRR (Common Mode Rejection Ratio) il rapporto tra il guadagno ad anello aperto e il guadagno a modo comune:

dove Ac (guadagno di modo comune) è definito come il guadagno dell'operazionale quando una stessa tensione Vc èapplicata ad entrambi gli ingressi:

Nel caso ideale Ac è nullo per cui il rapporto vale infinito. Nel caso reale invece Ac anche sepiccolo, non è nullo. Ovviamente, affinché il comportamento dell’A.O. sia approssimabile al casoreale, il CMRR deve essere il più elevato possibile.

5.6. Guadagno ad anello aperto e risposta in frequenza

Nel caso reale, il guadagno ad anello aperto AOL di un A.O. non è infinito come nel caso ideale e sopratutto è dipendente dalla frequenza: hail suo valore massimo per f = 0, ma poi decresce rapidamente conl’aumentare della frequenza di lavoro.

A titolo di esempio, la figura 20 mostra che per il noto µA 741 il guadagno ad anello aperto vale circa 200.000 a frequenza zero, perpoi iniziare a scendere subito dopo qualche Hertz.

In genere per ogni operazionale viene dato il parametro GBW (guadagno per larghezza di banda), il quale rappresenta il prodotto tra il guadagno del’amplificatore e la larghezza di bandavalutata per quel particolare guadagno:

Per un dato A.O., il valore GBW è costante.

Naturalmente, per limitare gli inconvenienti dovuti a questo fenomeno, è necessario commisurare il valore del guadagno al valore della frequenza di lavoro dell’A.O.. Se fosse richiesto un alto guadagno e un’elevata frequenza di lavoro, allora, al fine di prevenire attenuazioni edistorsioni, è necessario provvedere ad una cascata di più stadi a basso guadagno.

5.7. Esempio del data-sheet di un A.O. reale (µA 741)

Oltre ai parametri sinora trattati, un A.O. reale è caratterizzato da un vastissimo numero di caratteristiche che ne definiscono in modo dettagliato il funzionamento.

Questo insieme di caratteristiche e di parametri sono raccolti in appositi documenti redattidalle case produttrici (i cosi detti data-sheet). Essi sono consultati in sede di progetto allo scopo diutilizzare al meglio l’A.O. e prevenire gli errori indotti dallo scarto esistente tra il comportamentoideale dell’A.O. e il suo effettivo funzionamento reale (che, in certi casi, può essere significativo).

Generalmente, per ogni parametro, vengono indicati tre valori:

• il valore minimo e il valore massimo, al di fuori dei quali certamente non si andrà;
• il valore tipico, ossia il valore che comunemente sarà più probabile riscontrare.

Oltre ai parametri di funzionamento, il data-sheet riporta anche altre indicazioni utili, come peresempio lo schema interno dell’A.O., la piedinatura e le dimensioni del circuito integrato che locontiene, i grafici con le caratteristiche di funzionamento, lo schema dei circuiti di prova ipiegatiper la valutazione dei parametri reali.

A titolo di esempio, è qui riportato il link per collegarsi al sito dove è reperibile il data-sheet del noto A.O. µA 741.

Visualizza il data sheet
http://www.ortodoxism.ro/datasheets/stmicroelectronics/5304.pdf