Dimensioni e funzioni dei circuiti integrati analogici

Sotto il nome di circuiti integrati analogici è catalogata una vastissima serie di componenti elettronici attivi; questi componenti sono formati da un insieme di semiconduttori e resistori che formano particolari circuiti funzionalmente completi.

Dimensioni e funzioni dei circuiti integrati analogici

Ciascun circuito integrato può essere formato, sia da poche unità di semiconduttori, sia da diverse decine di queste unità, il tutto racchiuso sempre in contenitori aventi delle dimensioni molto ridotte.

Un esempio d’ingombro di due circuiti integrati analogici è mostrato in figura 1.

figura 1

In figura 1 il dispositivo a forma rettangolare, detto Dual-In-Line Package, può contenere uno o più circuiti integrati indipendenti, il contenitore a forma circolare, detto Metal Can Package, generalmente contiene un solo circuito integrato.

I circuiti integrati sono costruiti per funzionare con tensioni continue d’alimentazione in un ampio campo di valori e posseggono caratteristiche funzionali diverse, sì da soddisfare le più avanzate esigenze dei progettisti di sistemi elettronici.

Con i circuiti integrati analogici si possono realizzare amplificatori, rivelatori, limitatori, comparatori, generatori di funzioni, filtri attivi, accoppiatori, alimentatori, oscillatori e quant’altro pensabile nell’ambito della progettazione elettronica; tutto in un esteso campo di frequenze e di consumi da selezionarsi, in base alle necessità, sui cataloghi specializzati editi dalle diverse case costruttrici.

Il simbolo grafico che contraddistingue la maggior parte dei circuiti integrati analogici è riportato in figura 2; in essa sono mostrati i terminali d’alimentazione in c.c. con i segni ( +Va ) e ( -Va ) , i due terminali d’ingresso ( + i ) e ( - i ) e con il segno ( u ) il terminale d’uscita; i cinque terminali sono individuati dai segni indicati, personalizzati per questa descrizione, al solo scopo di rendere la topografia del disegno il più vicino possibile agli schemi di catalogo.

Alcuni circuiti integrati utilizzano altri terminali, oltre a quelli citati, per particolari compensazioni dei circuiti stessi.

figura 2

I circuiti integrati studiati per essere impiegati in strutture d’amplificazione di bassa frequenza, indicati come microamplificatori, sono caratterizzati da una serie di parametri che qui di seguito andiamo ad elencare ed a commentare; per far ciò utilizzeremo un vecchio pilastro della specie, il tipo LM741 che, nel piccolo contenitore, integra 20 transistori e 12 resistori collegati tra loro secondo uno schema elettrico particolare:

LM741:Valori massimi di alcuni parametri

Tensione d’alimentazione = $+22\ V\ {-}22\ V$ (da collegare ai terminali +Va e –Va)

Potenza dissipabile = $500\ mW$ ( valore che subordina il carico da collegare all’uscita)

Tensione differenziale d’ingresso = +/- $30\ V$ ( livello segnali applicati contemporaneamente ai due ingressi)

Tensione applicabile a ciascun ingresso = +/- $15\ V$ ( livello massimo del picco del segnale)

Durata al corto circuito del terminale d’uscita = continua ( è una caratteristica di sicurezza)

Temperatura di lavoro = da –$55$ °C a $+125$ °C

LM741:Valori tipici di alcuni parametri

Resistenza d’ingresso minima =$0.3\ \ M\Omega$ (riferita al + i a guadagno libero in assenza di controreazione)

Guadagno di tensione = $50000$ volte -pari a $94\ dB$ - ( guadagno libero in assenza di controreazione)

Dinamica del segnale in uscita = +/- $14\ V$ (massimo segnale prelevabile all’uscita su di un carico di $10\ k\Omega$)

Corrente di alimentazione = $1.7\ mA$ ( corrente richiesta per il funzionamento, sia sul +Va che sul -Va )

Reiezione delle eventuali componenti ondulatorie nella rete d’alimentazione $=96\ dB$

Banda di lavoro = dalla corrente continua a $1.5\ MHz$ ( dato a guadagno libero )

Tensione di fuori zero d’ingresso $=6\ mV$ (se non compensata si comporta come un segnale d’ingresso)

Il circuito integrato LM741, del quale abbiamo esposto le caratteristiche salienti, è dotato di due terminali ausiliari per la compensazione della tensione continua di fuori zero ( di questa particolarità sarà trattato in seguito in alcuni esempi di progetti).

A titolo indicativo riportiamo in figura 3 la disposizione dei piedini nel contenitore di LM741 e la numerazione nel simbolo grafico; la vista dei piedini è dal lato saldature, il piedino nero ha un dentino di riconoscimento, i piedini 1 e 5 sono destinati al circuito di compensazione.

figura 3

Il piedino + i (numero 3) è un ingresso, detto non invertente; i segnali applicati in esso si trovano in fase con i segnali d’uscita al piedino u ( numero 6).

Il piedino - i (numero 2) è un ingresso, detto invertente; i segnali applicati in esso si trovano in opposizione di fase con i segnali d’uscita al piedino u ( numero 6).

I piedini +Va (numero 7), -Va (numero 4 ) sono rispettivamente i terminali d’alimentazione positiva e negativa.

I piedini (numero 1), (numero 5 ) sono impiegati, non necessariamente in tutte le applicazioni, per la compensazione del punto di lavoro d’uscita.

I circuiti integrati studiati come amplificatori, detti anche microamplificatori, sono disponibili sul mercato in una vasta gamma di tipi, ciascuno caratterizzato da parametri distintivi che ne specializzano l’impiego in base alle esigenze del progettista.

Dato che non è possibile la costruzione di un microamplificatore “universale”, tale che possa racchiudere tutte le migliori e possibili caratteristiche funzionali, la scelta del produttore per l’ottimizzazione di una serie di parametri ne penalizzerà altri.

Un esempio fra tutti; un circuito integrato a bassissimo consumo, necessario ad esempio per apparecchiature mobili, non consentirà di ottenere amplificatori per frequenze elevate.

‘’’Tipologia dei circuiti integrati analogici’’’

Le tipologie dei microamplificatori sono, di massima, divise come segue:

• A basso consumo (per apparecchiature portatili ad elevata autonomia)

• A bassa frequenza ( per frequenze inferiori a 2 MHz)

• Ad alta frequenza ( per frequenze superiori a 2 MHz)

• A larga banda di lavoro ( per applicazioni varie )

• Ad alta velocità di risposta ( per il trattamento d’impulsi )

• A basso rumore elettronico ( per circuiti d’amplificazione speciali )

• Per corrente continua ( per circuiti in cui sia richiesta una bassissima deriva di tensione c.c.)

• Per apparecchiature elettromedicali ( con elevatissimi isolamenti tra ingressi ed uscite)

• Di precisione ( per circuiti operazionali )

• Ad elevata impedenza d’ingresso ( per applicazioni varie )

• Per apparecchiature di precisione ( con parametri garantiti entro tolleranze molto strette)

• Per impieghi in circuiti audio ( per medie potenze )

• Per impieghi in circuiti video ( per buone velocità a costi contenuti)

• Per impiego come comparatori ( di media ed elevata precisione di comparazione )

• Per impiego come campionatori di segnali ( applicazioni speciali)

• In contenitori che alloggiano un singolo microamplificatore ( singoli)

• In contenitori che alloggiano due microamplificatori ( duali )

• In contenitori che alloggiano quattro microamplificatori ( quadrupli )

• In contenitori circolari

• In contenitori con due file di piedini in linea

• In contenitori con terminali a filo a saldatura ordinaria

• In contenitori con terminali per montaggio superficiale

Per avere un’idea sul numero dei modelli di circuiti integrati prodotti da una delle case costruttrici più importanti si evidenzia che il Databook di illustrazione ne elenca oltre 300 tipi.

I circuiti integrati analogici, generalmente, necessitano di una circuitazione ausiliaria che consente il loro impiego nelle più diverse applicazioni; nel prosieguo delle lezioni studieremo e dimensioneremo, caso per caso, tale circuitazione per ottenere dei dispositivi elettronici finiti.

I circuiti integrati, salvo qualche rara eccezione, sono alimentati con tensioni contenute entro qualche decina di volt, contrariamente ai transistori che hanno invece tensioni di lavoro che superano le centinaia di volt.

Come scegliere un microamplificatore

La scelta di un microamplificatore è subordinata al tipo del progetto da sviluppare, una numerosa serie di questi dispositivi è ora elencata, a titolo indicativo, per mostrarne le caratteristiche salienti:

Circuiti integrati e microamplificatori:

Due circuiti per contenitore

Quattro circuiti per contenitore

Alta precisione

Alto guadagno

Alta corrente d’uscita

Alta tensione di lavoro

Bassa potenza d’alimentazione

Basso rumore proprio

Alta velocità di transizione di stato

Caratteristiche programmabili

Alte frequenze

Ad alta impedenza d’uscita

Ad alta impedenza d’ingresso

Circuiti di audiodiffusione

Circuiti a transconduttanza

Larga banda

Basso valore del fuori zero

Ultra veloci

Ripetitori

Comparatori

Buffer

Circuiti operazionali

Compensabili

Alta velocità di assestamento

La scelta del circuito integrato adatto al proprio progetto deve essere frutto di una paziente ricerca tra i numerosi dispositivi a catalogo e di alcuni compromessi (quando possibile):

Se ad esempio si richiede un microamplificatore a bassa potenza d’alimentazione sarà facile da individuare a catalogo ma questo dispositivo non consentirà certamente di lavorare né ad alta velocità né ad alta frequenza; in questo caso se il nostro progetto può rinunciare a prestazioni ad alta frequenza il problema è risolto, altrimenti si deve cercare a catalogo, tra gli amplificatori ad alta frequenza, quello che a parità di prestazioni offre il minor consumo.

Se per ragioni di spazio si richiede un circuito integrato quadruplo sarà immediato trovarlo a catalogo ma certamente questo non consentirà nessuna sorta di compensazione del fuori zero.

Se si richiede un microamplificatore ad alta velocità sarà difficile che questo dispositivo possa avere un basso rumore proprio.

Se il progetto prevede un microamplificatore ad alta impedenza d’ingresso sarà possibile trovarlo a catalogo ma con una risposta in frequenza molto contenuta.

Se è richiesto un microamplificatore ad elevata dinamica d’uscita, questa non sarà generalmente compatibile con una estesa gamma di frequenze.