Come migliorare l’efficienza e la precisione con gli amplificatori operazionali bipolari

Di Soufiane Bendaoud, Business Development Manager, Precision Amplifiers, Texas Instruments.

Sebbene nessuno possa mettere in dubbio i progressi compiuti nella progettazione con semiconduttori con ossido di metallo complementare (CMOS) e transistor a effetto di campo a giunzione (JFET) per amplificatori operazionali (op-amp), gli amplificatori operazionali bipolari presentano alcuni notevoli vantaggi in termini di requisiti di rigorosa precisione ed efficienza. I recenti amplificatori operazionali bipolari, come l’OPA2206 di TI, possono raggiungere un’impressionante tensione di offset di 2 µ e una deriva di offset di 0,04 µV/°C, rivaleggiando con alcuni dei migliori amplificatori operazionali stabilizzati con chopper (zero-drift).

Nonostante la loro popolarità in materia di precisione in CC e basso rumore, gli amplificatori operazionali bipolari scontano un’elevata polarizzazione in ingresso, un’impedenza in ingresso relativamente bassa e un’alta densità di rumore di corrente: caratteristiche che li rendono proibitivi per l’uso in circuiti applicativi che si interfacciano con impedenze elevate, come i sensori biologici nella strumentazione medica e nelle scienze biologiche.

Tuttavia, con l’implementazione di transistor super beta strettamente strettamente accoppiati e con la tecnologia e-trimTM proprietaria di TI, i moderni amplificatori operazionali bipolari offrono una tensione di offset e una deriva di offset molto basse. L’aggiunta della tecnologia e-trim offre una migliore stabilità a lungo termine: una priorità fondamentale nelle applicazioni industriali. I transistor super beta presentano una corrente di polarizzazione in ingresso molto bassa e una bassa densità di rumore di corrente. Pertanto, i dispositivi presentati di recente, come l’OPA2205, mostrano una corrente di polarizzazione in ingresso inferiore rispetto a un CMOS allo stato dell’arte.

Tensione di offset ai vertici del settore e deriva ultra bassa

Migliorate l’efficienza del sistema e aumentate la protezione del sistema con gli amplificatori operazionali bipolari di precisione OPA2205 e OPA2206.

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Prendiamo ad esempio un amplificatore operazionale CMOS di precisione OPAx192. Sebbene la corrente di polarizzazione in ingresso di questo dispositivo sia di soli 20  A max a 25 °C, tale corrente aumenta a 5 nA a 125 °C. L’amplificatore operazionale bipolare super beta OPA2205 con tecnologia e-trim, d’altra parte, presenta una corrente di polarizzazione in ingresso di soli ±1,2 nA a 125 °C. Si tratta di un bel miglioramento per le applicazioni con requisiti di temperatura estremi. La Figura 1 mostra la corrente di polarizzazione in ingresso rispetto alla temperatura di un OPAx192. La Figura 2 mostra la corrente di polarizzazione in ingresso dell’OPA2205.

In generale, l’Equazione 1 esprime la densità di rumore di corrente nel modo seguente:

dove q è la carica di un elettrone, 1,6E-19, e Ib è la corrente di polarizzazione in ingresso non annullata.

È possibile derivare l’impedenza in ingresso utilizzando il concetto di semicircuito e il modello π con l’Equazione 2:

Che quindi si semplifica nell’Equazione 3:

La questione dell’efficienza

Nel calcolare il budget di errore complessivo, è necessario tenere conto della tensione di offset, della deriva della tensione di offset, della corrente di polarizzazione in ingresso e del rumore. A seconda dell’impedenza della sorgente, potrebbe essere necessario considerare attentamente il rumore di corrente in ingresso rispetto al rumore di tensione.

Uno dei problemi degli amplificatori operazionali a basso rumore è la loro tendenza a consumare un parecchia corrente, perché il rumore è inversamente proporzionale alla corrente di riposo. Per contestualizzare la situazione, un amplificatore operazionale CMOS di precisione e a bassa potenza con una corrente di riposo di 200 µA genererebbe circa 15 nV/√Hz di densità di rumore di tensione. Al contrario, un amplificatore operazionale bipolare come l’OPA2205 genera circa 7 nV/√Hz per appenai 250 µA.

Nelle applicazioni con una ristretta larghezza di banda o segnali in movimento lento, come il monitoraggio e il controllo della temperatura, o in circuiti con elevato numero di canali, come i controller a logica programmabile e i moduli di ingresso analogici, è necessario tenere conto anche del rumore a bassa frequenza (componente 1/f) nel considerare i requisiti di rumore. In questi casi, sono più indicati gli amplificatori operazionali bipolari, poiché l’angolo 1/f è molto più basso rispetto agli amplificatori operazionali con ingresso CMOS o JFET. Di solito è lecito aspettarsi un 1/f di un ordine di grandezza inferiore nella progettazione con un amplificatore operazionale bipolare.

Gli amplificatori operazionali zero-drift eliminano la componente 1/f?

Gli amplificatori operazionali zero-drift sono un’ottima scelta per la riduzione di 1/f (eliminandola in amplificatori operazionali stabilizzati con chopper o √2 x V_{noise_bb} in amplificatori operazionali auto-zero), ma il loro rumore in banda larga a bassa frequenza è molto maggiore rispetto agli amplificatori operazionali bipolari per una data IQ. Tuttavia, le loro correnti di polarizzazione in ingresso tendono ad essere molto più alte nonostante la loro architettura CMOS e richiedono un adattamento all’impedenza. Inoltre, mentre gli amplificatori operazionali zero-drift offrono bassi livelli senza precedenti per tensione di offset e deriva, non risultano altrettanto efficienti quanto gli amplificatori operazionali bipolari. In altre parole, a pari quantità di corrente di riposo, gli amplificatori operazionali bipolari offrono una maggiore larghezza di banda e un minore rumore di fondo.

Nei progetti che richiedono efficienza, immunità al rumore e precisione, le moderne topologie bipolari trattate in questo articolo sono, a mio avviso, superiori a qualsiasi altra tecnologia di processo.

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