Mi gira la testa: perché così tanti amplificatori operazionali?

Scegliere l'amplificatore operazionale adatto o "ideale" per un progetto può essere frustrante. Pur restringendo la ricerca a un singolo fornitore, in genere bisogna considerare decine di dispositivi piuttosto simili, affiancati spesso dalle ultime novità appena introdotte sul mercato. Le guide alla selezione dei fornitori possono aiutare nelle categorie più ampie, come l'alta velocità, la precisione e l'alta tensione, ma persino in queste suddivisioni sono presenti sovrapposizioni e ambiguità.

Ma perché così tanti amplificatori operazionali? Un cinico potrebbe rispondervi: "Perché possono", ma non è proprio così semplice. Ogni variante e sottovariante di un amplificatore operazionale può avere un costo elevato, essendo necessarie delle modifiche in uno o più fattori di progettazione, produzione, collaudo, certificazione, pianificazione della produzione, evasione degli ordini, assemblaggio e altro.

Un teorico vi risponderebbe invece: "Perché non esiste l'amplificatore operazionale perfetto". Pur essendo vero a livello tecnico, nemmeno questo è il vero motivo. Anzi, forse non è addirittura desiderabile un amplificatore operazionale ideale, con larghezza di banda infinita, zero rumore e l'assenza di altre "imperfezioni", perché sarebbe troppo perfetto. Ad esempio, per utilizzare un amplificatore operazionale simile in un'applicazione, potrebbe essere necessario aggiungere un filtro esterno per attenuare il rumore esterno, anziché sfruttare la larghezza di banda limitata dello stesso dispositivo.

Il motivo per cui esistono così tanti amplificatori operazionali è in realtà una conseguenza di due fattori. Prima di tutto, bisogna considerare l'enorme varietà di applicazioni. In secondo piano, vi è anche l'eterno problema ingegneristico dei compromessi. Nel caso degli amplificatori operazionali, come per molti altri componenti, questi compromessi non sono una questione in bianco e nero, ma presentano molte sfumature di vario grado e priorità.

Alcune applicazioni tollerano valori meno desiderabili di certi parametri per ottenere delle prestazioni molto superiori in altri parametri, davvero imprescindibili in una data situazione. Ad esempio, un circuito per una strumentazione di precisione potrebbe davvero avere bisogno di una deriva di offset limitata anziché un ampio intervallo di temperatura e sopportare un po' di dissipazione aggiuntiva per raggiungere tale scopo. Ma la domanda resta sempre: "Quanto siamo disposti a sacrificare altrove per soddisfare il nostro obiettivo principale?" Se si riescono a ottenere delle prestazioni di deriva di offset migliori del 10%, a discapito però di un aumento del 50% in altre specifiche secondarie, ne vale la pena?

Bisogna poi considerare il fattore economico: anche se tutte le applicazioni sono sensibili ai costi, la domanda è fino a che punto i costi sono un fattore fondamentale. Vale la pena spendere qualche centesimo in più per un dispositivo con un rumore del 10% inferiore? La risposta non si può certo trovare in un libro.

Consideriamo due amplificatori operazionali a "offset zero": MCP6V51 di Microchip Technology e OPA735 di Texas Instruments. In aggiunta ad altre differenze, il dispositivo di Microchip presenta un offset massimo iniziale di ±15 µV e una deriva di offset massima di ±36 nV/°C (Figura 1). Il componente di Texas Instruments presenta un terzo dell'offset massimo iniziale, a ±5 µV, ma una deriva di offset più alta di circa il 50%, a ±50 nV/°C (Figura 2). Quindi qual è il prodotto migliore?

Figura 1: La tensione di offset in ingresso confrontata con la temperatura ambiente è una specifica essenziale nelle applicazioni di precisione che utilizzano amplificatori operazionali. Viene qui mostrato il confronto per MCP6V51 di Microchip Technology. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Figura 2: La deriva della tensione di offset viene presentata in modo diverso per OPA735, ma si tratta di una differenza di nV/°C davvero minima. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La risposta è ingannevolmente semplice, come in molte altre situazioni di ingegneria: "Dipende". In questo caso, dipende da quanto importante sia il valore di offset iniziale quando confrontato con il valore della rispettiva deriva, ma ciò potrebbe valere per una sola, specifica applicazione.

La decisione di quanto e come sacrificare qualcosa per ottenere quel che si vuole è un delicato equilibrio tra molti fattori ed è il tema al centro di tutti i problemi degli ingegneri. Si tratta spesso di una scelta difficile, in quanto tutti gli addetti alla revisione progetti possono avere un punto di vista diverso.

Vi sono serie infinite di diverse priorità delle applicazioni, considerazioni relative e possibili decisioni su cosa sacrificare per ottenere quel che si vuole. La buona notizia è che l'ampia gamma di scelta rende facile trovare proprio quel che fa al caso nostro, nella maggior parte dei casi. Tuttavia, la molteplicità di opzioni può essere disarmante e portare a due possibilità: i progettisti scelgono il primo dispositivo abbastanza vicino a quel che cercano oppure scelgono un fornitore e un dispositivo già provati in precedenza e con i quali si trovano meglio.

Ironicamente, nonostante la grande quantità di amplificatori operazionali disponibili e la continua produzione di nuove varianti, molti progettisti, nel bene o nel male, finiscono per usare quelli che sono loro più familiari.

Informazioni su questo autore

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Bill Schweber è un ingegnere elettronico autore di tre libri di testo sui sistemi di comunicazione elettronica, oltre a centinaia di articoli tecnici, colonne di giornale e caratteristiche del prodotto. In passato ha lavorato come responsabile tecnico di siti Web tematici per EE Times, oltre che come Executive Editor e Analog Editor presso EDN.

In Analog Devices, Inc. (fornitore leader di circuiti analogici e di segnali misti), Bill si occupava di comunicazioni di marketing (pubbliche relazioni); di conseguenza, ha esperienza su entrambi i lati della funzione tecnica PR, come presentatore di prodotti, storie e messaggi aziendali ai media e come parte ricevente.

Prima del ruolo MarCom in Analog, Bill è stato redattore associato della loro rispettata rivista tecnica e ha lavorato anche nei gruppi di product marketing e di ingegneria delle applicazioni. Ancor prima di questi ruoli, Bill lavorava presso Instron Corp., occupandosi di progettazione di circuiti analogici e di potenza e integrazione di sistemi per i controlli delle macchine di prova dei materiali.

Bill ha un MSEE (Univ. of Mass) e un BSEE (Columbia University), è un ingegnere professionista registrato e detiene una licenza da radioamatore di classe avanzata. Bill ha anche pianificato, scritto e presentato corsi online su una varietà di argomenti di ingegneria, compresi i concetti di base su MOSFET, sulla selezione di ADC e sul pilotaggio di LED.

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