Perché abbiamo bisogno di nuovi amplificatori operazionali malgrado ce ne siano innumerevoli modelli validi

È difficile stabilire quanti amplificatori operazionali differenti siano disponibili presso le decine di produttori, ma il numero si aggira intorno alle migliaia. Questo senza contare gli amplificatori operazionali che sono varianti di un modello base ma con specifiche, gradi di temperatura o contenitori leggermente differenti.

Questi componenti fondamentali semplici ma versatili svolgono funzioni cruciali nei front-end analogici (AFE) per l'elaborazione del segnale, nei filtri e nelle interfacce per sensori. L'elenco delle funzioni circuitali necessarie è sempre stato lungo e si sta allungando ulteriormente a causa delle esigenze dell'Edge IA, dei controller intelligenti e di innumerevoli altre applicazioni che richiedono l'interfacciamento dei sistemi con il mondo reale.

Considerata la vasta gamma di amplificatori operazionali già presenti sul mercato, da quelli di fascia media con specifiche più che adeguate fino ai dispositivi di precisione ad alte prestazioni, è facile pensare che non ci sia alcun bisogno di nuovi modelli. Tuttavia, le recenti introduzioni dimostrano ancora una volta l'ingenuità di tale presupposto.

Le più recenti innovazioni degli amplificatori operazionali assicurano una deriva estremamente bassa

Nell'ultimo anno sono uscite decine di nuovi amplificatori operazionali di produttori importanti e di fascia media. Sebbene alcuni modelli siano altamente specifici per determinate applicazioni (es. i progetti ad alta tensione o l'isolamento galvanico), la maggior parte è piuttosto standard, pur eccellendo in alcune specifiche.

Prendiamo in considerazione tre amplificatori operazionali di recente introduzione, tutti caratterizzati da una deriva estremamente bassa:

• MAX74810ARMZ-RL di Analog Devices, un amplificatore operazionale a deriva zero a doppio canale, a bassa potenza, stabilizzato a chopper, con ingressi con rilevamento di massa a basso rumore e uscite rail-to-rail, ottimizzato per la precisione totale nell'intervallo di tempo, temperatura e tensione
• TSZ901IYLT di STMicroelectronics, un amplificatore operazionale qualificato AEC-Q100 (della linea di amplificatori operazionali di ultraprecisione TSZ dell'azienda) che vanta una deriva prossima allo zero e un offset estremamente basso, entrambi attributi critici per il condizionamento del segnale dei sensori ad alte prestazioni
• TLV4888PWR di Texas Instruments, un amplificatore operazionale di precisione CMOS compatibile con multiplexer a quattro canali e deriva zero, stabilizzato a chopper, a 36 V e 14 MHz

I dilemmi paralleli dei fornitori e dei progettisti

Sia i fornitori che gli utenti di questi componenti onnipresenti nutrono sentimenti contrastanti riguardo agli amplificatori operazionali più vecchi. I fornitori vogliono continuare a produrre i componenti più vecchi, che offrono margini elevati e processi di produzione e di test prevedibili, e gli utenti li apprezzano per le loro prestazioni e caratteristiche comprovate. Allo stesso tempo, entrambe le parti desiderano i potenziali vantaggi dei prodotti più recenti, come la fidelizzazione immediata a lungo termine (per i fornitori) e prestazioni superiori (per gli utenti).

Sebbene gli amplificatori operazionali siano componenti funzionalmente semplici, possiedono molti parametri importanti e spesso sottili. Sebbene si tratti di attività altamente automatizzate, l'avvio, l'esecuzione e la documentazione dei necessari test e delle successive analisi dei dati richiedono comunque tempo e impegno.

Tra le specifiche necessarie ma difficili da testare c'è senz'altro la corrente di polarizzazione in ingresso (I_B) in funzione della temperatura, come si può osservare per il dispositivo MAX74810ARMZ-RL (Figura 1).

Figura 1: Grafico di IB in funzione della temperatura per MAX74810ARMZ-RL; questi grafici sono fondamentali per i progettisti che devono implementare un AFE di precisione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Le schede tecniche degli amplificatori operazionali spesso riportano la distribuzione della tensione di offset in ingresso (V_I/O) su migliaia di dispositivi testati. Questi grafici, come quello relativo a TSZ901IYLT (Figura 2), assicurano agli utenti che il fornitore abbia il controllo del processo produttivo, rendendo le simulazioni molto più affidabili e garantendo maggiore tranquillità.

Figura 2: Grafici come la distribuzione VIO per TSZ901IYLT assicurano ai progettisti che il processo produttivo sia rigorosamente controllato. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

I fornitori devono inoltre specificare i valori massimi (o minimi) per alcuni parametri, poiché i valori tipici vanno bene per le stime di primo livello, ma risultano insufficienti quando si effettua un'analisi completa utilizzando Spice o altri strumenti. Le tabelle degli amplificatori operazionali, come quella riportata per TLV4888PWR (Figura 3), specificano i valori sia tipici che massimi sull'intero intervallo di temperatura per supportare una valutazione accurata del progetto. Questi dati vengono spesso forniti in forma tabellare, includendo i valori tipici per parametri quali la tensione di offset e la corrente di polarizzazione in ingresso.

Figura 3: Una valutazione di progettazione accurata di un dispositivo come TLV4888PWR richiede valori tipici e massimi; i fornitori di amplificatori operazionali li forniscono in forma tabellare, ove opportuno. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Quali sono i vantaggi per il venditore?

Tutto questo lavoro di sviluppo e gli investimenti da parte dei fornitori risultano poi avere un'utilità? In generale, sì. Un prodotto analogico di successo può rappresentare una fonte di reddito importante e sostenibile per molti anni. Se un fornitore mette insieme la giusta combinazione di funzioni, caratteristiche e specifiche di prestazioni, e il componente è compatibile con prodotti di successo dei clienti, ci sono buone probabilità che l'amplificatore operazionale venga utilizzato nei prodotti della generazione corrente ma anche di quelle successive. Come conseguenza, il componente più vecchio viene accantonato.

Ma sostituire un componente vecchio non è facile. A differenza dei processori, un buon amplificatore operazionale viene spesso scelto nuovamente per il circuito, anziché essere scartato e sostituito in fase di progettazione. Perché, dunque, i progettisti sono restii a sostituire un amplificatore operazionale più vecchio e potenzialmente inferiore con uno più recente?

Il motivo è che i componenti analogici sono più soggetti a sottigliezze e peculiarità di progettazione, di layout e persino di produzione rispetto alle controparti digitali. I progettisti esperti di circuiti analogici preferiscono non passare a un nuovo componente, con la curva di apprendimento che comporta, a meno che non ci siano ragioni convincenti per farlo, mentre i progettisti orientati al digitale non vogliono pensare agli aspetti analogici: se un componente funziona sufficientemente bene, preferiscono non toccarlo.

Per il fornitore e il progettista, ci sono altri vantaggi a lungo termine:

• I processi di produzione e collaudo perfezionati riducono notevolmente le preoccupazioni relative alla produzione e alla disponibilità.
• Una maggiore competenza nella produzione e rese più elevate si traducono in margini di profitto più alti per il fornitore.
• Il componente è presente nell'elenco dei fornitori e componenti approvati dal progettista, elenco che molti produttori di apparecchiature originali (OEM) utilizzano, quindi non ci sono esitazioni aziendali nell'inserirlo in distinta base.

Un esempio che dimostra questa mentalità che tende a evitare i cambiamenti è l'amplificatore strumentale Burr-Brown INA133 (una particolare topologia di amplificatore operazionale). Questo dispositivo è stato introdotto intorno al 1998 ed è ancora offerto in una varietà di contenitori e specifiche, come modello INA133UA/2K5 di Texas Instruments (che ha acquisito Burr-Brown nel 2000).

Naturalmente, il dilemma con tutti questi nuovi amplificatori operazionali, affiancati da quelli più vecchi, è come selezionare quello più adatto alla specifica applicazione. Alcuni progettisti iniziano da pochi fornitori di fiducia, altri dai suggerimenti dei colleghi. Ecco un caso in cui l'IA può essere d'aiuto: inserendo le specifiche indispensabili, quelle desiderabili e i valori minimi/massimi per gli altri parametri, si può ottenere un elenco degli amplificatori operazionali più adatti.

Questo può essere un punto di partenza interessante, ma niente è meglio della documentazione e delle conversazioni dirette con il referente del fornitore per restringere la cerchia delle opzioni e comprendere appieno le sfumature di questi dispositivi.

Conclusione

Il continuo susseguirsi di nuovi amplificatori operazionali, nonostante le migliaia di ottime versioni già disponibili, dimostra che c'è sempre bisogno di componenti migliori. Questi dispositivi possono essere leggermente migliorati nelle prestazioni complessive o notevolmente migliorati in una o due specifiche critiche. In entrambi i casi, un nuovo amplificatore operazionale di successo può avere una lunga durata, riducendo al minimo i grattacapi per il progettista e massimizzando al contempo la resa e i margini per il fornitore.

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