Amplificatori in corrente continua

Gli amplificatori in corrente continua hanno il compito di elevare il livello di piccole tensioni continue per poterle utilizzare in molte applicazioni; si tenga presente che si annoverano tra le tensioni continue anche particolari segnali che proprio continui non sono, quali ad esempio i segnali provenienti da rivelatori di onde sismiche o da sensori elettromedicali che variano molto lentamente nel tempo e non sono adatti ad essere amplificati da circuiti in corrente alternata.

D’altro canto un amplificatore in corrente continua può, naturalmente, elevare il livello di segnali alternati a frequenze compatibili con il tipo di circuito integrato scelto per la realizzazione dell’amplificatore stesso così come, ad esempio, il circuiti di figura 1 già trattato nelle lezioni precedenti:

figura 1

Il problema più difficile da risolvere per la realizzazione di amplificatori in corrente continua è il contenimento del fuori zero d’uscita che, con la sua presenza, tende a mascherare i segnali che hanno ampiezze comparabili.

Anche se in alcune severe applicazioni i circuiti integrati vengono posti in appositi contenitori controllati in temperatura, per minimizzare le variazioni delle tensioni di fuori zero, in questo studio ci occuperemo di problematiche molto più semplici quali, ad esempio, l’amplificazione di segnali in corrente continua che variano in ampiezza in un campo compreso tra $1\ e\ 100\ mV.$

Uno tra gli innumerevoli microcircuiti in grado di amplificare segnali continui in questa gamma di valori è l’integrato OP 07A che, oltre ad avere basso valore di tensione di fuori zero d’ingresso è dotato di circuito di compensazione così come mostrato in figura 2 dove la differenza con l’amplificatore di figura 1 consiste nell’aggiunta del potenziometro P1 , negli appositi terminali, per la riduzione del fuori zero

figura 2

Un esempio di calcolo per l’impiego del circuito indicato, per il dimensionamento dei componenti e per esaminare le limitazioni imposte all’integrato, può essere il seguente:

Esempio di progetto di un amplificatore in c.c

Con riferimento allo schema elettrico di figura 2 impostiamo un caratteristico progetto:

Dati di progetto richiesti

Segnale minimo d’ingresso $Si=1\ mVcc$

Segnale massimo d’ingresso $Si=100\ mVcc$

Guadagno richiesto $G=100\ volte\ (40\ dB){-}10\%$

Dinamica richiesta = $\pm 10V$

Resistenza di carico = $5000\ \Omega$

Tensione massima di fuori zero d’uscita = $5\ mV$

Temperatura ambiente $Ta=25$°

Dimensionamento della rete di controreazione

Per $R1$ si assume un valore tale da non costituire un carico rilevante per l’integrato, ad esempio:

$R1=100000\ \Omega$

Per $R2$, volendo un guadagno di $G=100$ volte, sarà:

$100=(R1+R2)/R2$ e quindi $R2\approx 1000\ \Omega$

Verifica del valore di Amin

Il dati di progetto impongono un decremento massimo del guadagno pari al $10\%$; dal grafico di figura 3, già utilizzato nelle lezioni precedenti, si osserva che per questa tolleranza il rapporto $G/Amin$ è $=0.012$

figura 3

dal quale si calcola $Amin:$

$Amin.=Gmin/0.012=90/0.012=7500$

Valore ampiamente compreso nei dati caratteristici dell’OP07A che indicano per $A$ un valore minimo di circa $200000.$

Calcolo della resistenza R3

Per ridurre al massimo le variazioni delle tensioni di fuori zero d’ingresso è opportuno che il valore di $R3$ sia uguale al parallelo tra $R1\ ed\ R2$ perciò:

$R3=(R1\cdot R2)/(R1+R2)=(100000\cdot 1000/(100000+1000)\approx 1000\ \Omega )$

Calcolo del fuori zero d’ingresso dovuto alla corrente che fluisce da +i

Le caratteristiche dell’ OP07A indicano in $6\ nA$ massimi la corrente che fluisce dall’ingresso +i per fuori zero e $6\ nA$ per polarizzazione, entrambe circolanti in $R3$, queste correnti provocano una tensione di fuori zero su $R3$ pari a :

$V(f.zeroR3)=R3\cdot (6\ nA+6\ nA)=1000\ \Omega \cdot 12\ nA=1000\ \Omega \cdot 12\cdot 10^{-9}=12\ \mu V$

Calcolo della tensione di fuori zero d’uscita

Il limite imposto dal progetto prevede un fuori zero massimo d’uscita di $5\ mV$ ad una temperatura ambiente di $25$°c.

Il foglio delle caratteristiche dell’ OP07A indica in $60\ \mu V$ massimi il fuori zero d’ingresso, valore che, con il fuori zero $V(f.zeroR3),$ nell’ipotesi di non impiegare il circuito di compensazione formato da $P1$, verrebbe a trovarsi all’uscita moltiplicato per il guadagno dello stadio:

$Vu(fuorizero)=[Vi(fuorizero)+V(f.zeroR3)]\cdot G=72\ \mu V\cdot 100=7.2\ mV$

questo livello di fuori zero non sarebbe compatibile con il dato di progetto di $5\ mV.$

Le caratteristiche dell’OP07A indicano la possibilità di correzione del fuori zero d’uscita di $\pm 4\ mV,$ mediante un potenziometro $P1$ del valore di $20000\ \Omega$ , collegato tra i terminali 1 ed 8, pertanto il valore dei $6\ mV$ di fuori zero può essere variato da:

$7.2\ mV{-}4\ mV=3.2\ mV$ a $7.2\ mV+4\ mV=11.2\ mV$

con il raggiungimento e il superamento dell’obiettivo richiesto dal progetto.

Controllo della dinamica

Il progetto prevede una dinamica di $\pm 10\ V$ su di un carico di $5000\ \Omega$; le caratteristiche dell’integrato garantiscono una dinamica di $12\ V$ su di un carico di $2000\ \Omega$ per tensione d’alimentazione di $\pm 15\ V$, queste prestazioni soddisfano il dato richiesto dal progetto.