Guadagno, saturazione, clipping e retroazione
Guadagno, retroazione e saturazione sono concetti strettamente collegati nel funzionamento degli amplificatori operazionali. Il guadagno stabilisce quanto il segnale viene amplificato, la retroazione determina come questo guadagno viene controllato, mentre saturazione e clipping indicano che il circuito ha raggiunto un limite oltre il quale non può più riprodurre correttamente il segnale.
Che cos’è il guadagno?
Il guadagno indica quanto la tensione di uscita è maggiore o minore rispetto alla tensione di ingresso.
Vout = 2 V
Av = 2 / 0,2 = 10.
Guadagno ad anello aperto
Il guadagno ad anello aperto, indicato spesso come AOL, è il guadagno interno dell’op-amp quando non viene utilizzata una rete esterna di retroazione.
AOL può essere molto elevato alle basse frequenze. Per questo una differenza di ingresso di pochi microvolt può essere sufficiente a spingere l’uscita verso la saturazione.
Guadagno ad anello chiuso
Quando viene applicata una rete di retroazione, il circuito lavora ad anello chiuso. Il guadagno finale dipende principalmente dai componenti esterni.
La retroazione sacrifica una parte dell’enorme guadagno interno ma migliora precisione, stabilità e linearità.
Che cos’è la retroazione?
La retroazione, o feedback, consiste nel riportare una parte del segnale di uscita verso l’ingresso. Il comportamento del circuito dipende dal modo in cui il segnale di ritorno viene combinato con l’ingresso.
Negativa
Contrasta la variazione che l’ha generata.
Positiva
Rafforza la variazione e accelera la commutazione.
Nessuna
L’op-amp lavora quasi completamente con il proprio guadagno ad anello aperto.
Retroazione negativa
La retroazione negativa riporta all’ingresso invertente una parte dell’uscita. Se Vout tende a crescere più del necessario, il feedback riduce la differenza tra gli ingressi.
La maggior parte degli amplificatori lineari con op-amp utilizza retroazione negativa.
Retroazione positiva
La retroazione positiva riporta una parte dell’uscita in modo da rafforzare la differenza tra gli ingressi. L’uscita tende quindi rapidamente verso uno dei due stati disponibili.
Retroazione negativa e positiva a confronto
Che cos’è la saturazione?
Un op-amp è in saturazione quando la tensione richiesta dal circuito supera quella che l’uscita può realmente fornire. A quel punto Vout non segue più la relazione ideale del circuito.
Vin = 1 V
Il circuito richiederebbe Vout = 10 V. Se l’op-amp alimentato a 5 V può produrre al massimo circa 4,5 V, l’uscita si fermerà vicino a quel valore.
Output swing
L’output voltage swing indica l’intervallo reale di tensione che l’uscita può raggiungere. Dipende dall’alimentazione, dal tipo di op-amp e dal carico.
Output swing tipico: circa ±10 V
La massima sinusoide non distorta sarà quindi poco inferiore a 10 V di picco.
Op-amp rail-to-rail
Un op-amp rail-to-rail output è progettato per avvicinare maggiormente l’uscita ai rail di alimentazione. È particolarmente utile nei circuiti alimentati a 3,3 V o 5 V.
Che cos’è il clipping?
Il clipping è la distorsione che compare quando una forma d’onda tenta di superare il massimo o minimo valore disponibile in uscita.
La parte della forma d’onda oltre il limite viene “tagliata” e sostituita da un tratto quasi piatto.
Sinusoide normale e sinusoide in clipping
Clipping simmetrico e asimmetrico
| Tipo | Descrizione |
|---|---|
| Clipping superiore | Viene tagliata soltanto la parte positiva della forma d’onda. |
| Clipping inferiore | Viene tagliata soltanto la parte negativa. |
| Clipping simmetrico | Entrambe le semionde raggiungono limiti simili. |
| Clipping asimmetrico | I due limiti sono differenti, per alimentazione o circuito non simmetrici. |
Le principali cause del clipping
- guadagno troppo elevato;
- segnale di ingresso troppo grande;
- alimentazione insufficiente;
- output swing limitato;
- carico troppo pesante;
- alimentazione singola con riferimento errato;
- offset che sposta il punto di lavoro;
- corrente richiesta oltre le capacità dell’uscita.
Il carico può ridurre l’output swing
L’uscita dell’op-amp non è una sorgente ideale. Quando il carico richiede corrente, la massima tensione raggiungibile può diminuire.
Guadagno, retroazione e larghezza di banda
Negli op-amp compensati internamente, aumentare il guadagno ad anello chiuso riduce generalmente la banda disponibile.
Guadagno = 10
BW ≈ 100 kHz.
La retroazione negativa permette di scambiare parte del guadagno con maggiore banda e precisione.
Esempi numerici
Esempio 1 – Nessun clipping
Av = 5
Vout richiesta = 1 Vpk
Con output swing ±4 V il segnale rimane completamente lineare.
Esempio 2 – Clipping
Av = 10
Vout richiesta = 10 Vpk
Se l’output swing è ±4 V, l’uscita viene tagliata a circa +4 V e −4 V.
Esempio 3 – Eliminare il clipping riducendo il guadagno
Vin massimo = 1 Vpk
Guadagno massimo senza clipping:
Av ≤ 5/1 = 5.
Errori comuni
- confondere guadagno ad anello aperto e guadagno ad anello chiuso;
- pensare che maggiore guadagno sia sempre migliore;
- ignorare l’output swing reale;
- considerare saturazione e clipping come concetti completamente separati;
- assumere che un op-amp rail-to-rail raggiunga esattamente i rail;
- ignorare il carico sull’uscita;
- usare retroazione positiva in un circuito che dovrebbe essere lineare;
- ignorare il GBW quando si aumenta il guadagno;
- alimentare un circuito a tensione troppo bassa per il segnale richiesto;
- non lasciare margine tra Vout richiesta e limite di saturazione.