OP per usi Audio.

di M. Kistanami

9 dicembre 2015, riletto 27 marzo 2017, 2 agosto 2021

Gli amplificatori operazionali nascono per realizzare le più svariate funzioni, lineari o non lineari, nei più diversi settori di applicazione. Le caratteristiche generali che ogni operazionale deve avere sono le seguenti:

- ingresso differenziale ad alta impedenza

- bassa impedenza di uscita

- elevato guadagno ad anello aperto

L’amplificatore operazionale nasce per essere controreazionato. Dato che la controreazione può comportare problemi di stabilità molti operazionali prevedono la compensazione a “polo dominante” che li rende intrinsecamente stabili anche quando vengono impiegati come buffer (con guadano unitario).

La compensazione a polo dominante compromette molte prestazioni dell’OP. L’elevato guadagno ad anello aperto semplifica anche i calcoli della rete di controreazione.

In sostanza l’amplificatore operazionale è concepito per poter essere adoperato come un blocco funzionale grazie al quale poter realizzare velocemente e facilmente una quantità di operazioni. “Velocemente e facilmente” non significa necessariamente “al meglio” infatti esistono OP “general pourpose” che costano poco e OP con caratteristiche decisamente superiori che costano molto di più. Senza contare che lo stesso OP esiste in versione “normale” e “militare” (con prestazioni migliori).

Nessuno vieta di utilizzare l’amplificatore operazionale anche in campo audio purchè si scelga quello adatto allo scopo.

Esistono probabilmente centinaia di modelli di OP diversi. Come si giustifica una tale varietà se lo scopo dell’OP è fornire un blocco funzionale “universale”? Anche gli OP hanno caratteristiche diverse per soddisfare esigenza diverse. In particolare costi diversi.

Per utilizzare con successo questi OP specializzati, si devono saper fare due cose:

- bisogna saperlo scegliere

- bisogna saperlo adoperare

per sceglierlo si devono definire le condizioni di funzionamento (anche ambientali) e le specifiche di progetto. Saper adoperare un OP significa non chiedergli di fare quello che non sa fare e quindi sapere cosa può fare. Studiare i manuali aiuta. La qualità di un OP è direttamente proporzionale al numero di pagine del suo data sheet.

Uno tra i primi OP giunti sul mercato è stato il uA741.

Schema del uA741 Novembre 1970, Texas Instrument Si notino le protezioni sui transistor finali Lo slew rate vale 0.5V/uS che va confrontato con la massima escursione di tensione in uscita (28 Vpp). Si noti la polarizzazione dello stadio finale in classe AB. Le protezioni dei transistor finali sono piuttosto rozze e limitano le prestazioni.

L’integrazione offre delle possibilità in più rispetto ai circuiti a elementi discreti, per esempio i transistor con molti collettori e la possibilità di ottenere transistor con caratteristiche praticamente identiche. Anche le dimensioni fisiche del circuito hanno la loro importanza nel contenimento del rumore.

Risposta in frequenza ai grandi segnali del uA 741 su un carico resistivo di 10Kohm. La corrente in uscita è di 14/10000 = 1.4 mA.	Risposta in frequenza ai piccoli segnali del uA 741 su un carico resistivo di 2Kohm. La banda passante è di 10 Hz. Il margine di guadagno diminuisce al crescere della frequenza.

Viste le caratteristiche (e lo schema interno) si può pensare di usare questo uA741 per uso audio?

Chiunque capisce che l’impedenza di uscita di questo amplificatore, una volta controreazionato, avrebbe una componente induttiva rilevante e quindi una intrinseca incapacità ad erogare corrente sulle alte frequenze. Sempre dai grafici qui sopra si intuisce che la distorsione armonica crescerà con la frequenza e che la distorsione per intermodulazione dinamica sarà elevata. Comunque, anche se la distorsione armonica fosse bassissima, questo OP sarebbe adatto all’uso in campo audio solo se la tensione in uscita viene limitata a 1.6 Volt su caricodi 10Kohm e con guadagno limitato a 30 dB. Può essere impiegato come integratore o per realizzare i filtri attivi di un sub woofer.

Per fortuna non tutti gli OP sono uguali come mostrano gli esempi qui di seguito:

Esempi di operazionali adatti all’ uso audio con banda passante ai grandi segnali di oltre 200kHz e 10 MHz. Qui non ci sono limitazioni da slew rate

Questo è lo schema semplificato di un OP moderno per uso audio. Le differenza con il uA741 sono evidenti sia nello stadio di ingresso che in quello di uscita (nel riquadro rosso).. Si noti la presenza di tre resistori.

Per valutare un OP non basta leggere le specifiche e guardare i grafici, bisogna anche valutare lo schema interno e valutare se, con quella particolare circuitazione, si possono raggiungere le prestazioni volute.

Quindi anche gli OP “suonano” ma non tutti e non tutti allo stesso modo, bisogna saperli scegliere e poi saperli adoperare ma, prima ancora, si deve essere in grado di determinare (tutte) le specifiche del progetto. Sapendo quello che si vuole ottenere è immediato scegliere il componente adeguato.

Forse l’unico consiglio che si può dare, per l’uso audio, è quello di evitare di adoperare operazionali doppi o quadrupli ma di limitarsi a chip contenenti un unico operazionale (per limitare alla fonte il cross-talk tra i canali).

OP e temperatura

Un OP è realizzato su un chip molto piccolo e si pone quindi il problema del gradiente di temperatura che si instaura tra gli stadi di uscita (dove circola una corrente di qualche decina di milli Ampere) e lo stadio differenziale di ingresso dove circala una correne di qualche ordine di grandezza inferiore. È noto che in una coppia differenziale, se la temperatura dei due rami è diversa, si ottiene una variazione della Dvbe. Ora non bisogna credere che i fisici e gli ingegneri che progettano circuiti integrati siano degli sprovveduti. Il gradiente di temperatura esiste ma la distribuzione della temperatura sul chip stesso può essere prevista. I dispositivi del differenziale di ingresso vengono disposti in modo da essere soggetti alla stessa temperatura e, così facendo, si ottiene una stabilità termica molto elevata con variazioni di Dvbe molto più basse di quelle ottenute nei circuiti discreti.