L’amplificatore operazionale (op-amp) è un componente fondamentale nell’elettronica moderna, tuttavia la sua creazione ha radici profonde, le quali arrivano addirittura ai primi anni ’40. Il nome “operazionale” deriva dal fatto che originariamente era utilizzato per i calcolatori analogici, nei quali permetteva di eseguire operazioni matematiche come somma, differenza, moltiplicazione e così via. I primi dispositivi di questo tipo basavano il loro funzionamento sui tubi a vuoto che, come abbiamo già visto nei precedenti capitoli della rubrica di Paleotecnologia, oltre a necessitare di sostanziosa alimentazione, erano voluminosi e quindi decisamente poco integrabili. La nascita del transistor bipolare ha permesso di sviluppare ulteriormente gli amplificatori operazionali, ma il definitivo salto di qualità è stato fatto con l’avvento degli integrati monolitici.

È il 1965 e colui che viene ricordato come il ragazzo terribile della Silicon Valley, al secolo Robert John Widlar, progetta il primo amplificatore operazionale monolitico, il μA702. Per farvi capire la portata dell’invenzione, un singolo μA702 costava all’epoca 100 dollari circa. La storia di Widlar è una storia particolare, fin ora in questo lungo viaggio attraverso la storia dell’elettronica abbiamo citato fisici e scienziati illustri che hanno contribuito a delineare un identikit ben preciso dell’uomo di scienza. Personalità eccentriche e fuori dagli schemi come quella di Widlar, mettono lo scienziato sotto una luce completamente nuova, avvicinandolo a quella dell’artista bohémien. Aziende come la Fairchild Semiconductor e la National Semiconductor sono giunte alla ribalta anche grazie alla collaborazione con lo scienziato dell’Ohio.

Widlar fu il primo a evidenziare i pregi e i difetti di quello che viene definito “processo planare“, metodologia inventata da Jean Hoemi presso la Fairchild Semiconductor, che prevede di fabbricare parti individuali di un transistor che verrà poi di conseguenza connesso con altri transistor all’interno di un circuito. Il procedimento permette di creare circuiti su un unico wafer di Silicio. Questo processo consente di ridurre gli ingombri e di inserire molti più elementi circuitali in uno spazio ridotto, tuttavia il problema è che i componenti all’interno di un circuito integrato sono soggetti alle capacità parassite, problema non riscontrato all’interno di circuiti a componenti discreti. In base alle sue osservazioni, Widlar formulò il principio che è tutt’oggi un cardine della progettazione elettronica: “non abbinare componenti discreti al design dei circuiti integrati”. Grazie a questo principio coadiuvato dagli studi sulla compensazione degli amplificatori dello scienziato di origine cinese Jimmy Lin, è nato il μA702 che è anche il primo vero circuito lineare integrato.

Caratteristiche Circuitali

Un op-amp è un componente a tre terminali (due ingressi ad alta impedenza e una uscita). Uno dei due ingressi è chiamato “ingresso invertente“, contrassegnato dal segno “–“, mentre l’altro viene chiamato “ingresso non invertente” ed è contrassegnato dal segno “+“. Il segnale di uscita viene chiamato “fattore di amplificazione” o “guadagno“.

• Il guadagno ad anello aperto equivale a infinito.
• La tensione tra i terminali di ingresso è nulla (potenziale identico tra i terminali).
• Le correnti ai terminali di ingresso sono nulle.
• La Resistenza di ingresso è infinita.
• La Resistenza di uscita è nulla.

Configurazioni più diffuse

• Amplificatore invertente: amplifica la tensione presente al morsetto invertente (input), cambiandone il segno.
• Amplificatore non-invertente: amplifica la tensione presente al morsetto non invertente (input).
• Amplificatore sommatore: l’uscita è la somma pesata degli ingressi. Se invertente, il segno della tensione di uscita viene cambiato.
• Amplificatore differenziale: amplifica la differenza tra le tensioni poste ai morsetti di ingresso.
• Inseguitore: disaccoppia circuiti con differente resistenza di ingresso e uscita. Presenta guadagno unitario.

Un amplificatore operazionale è quindi un componente elettronico progettato per amplificare la tensione con dispositivi di retroazione esterni all’amplificatore stesso, come condensatori o resistori. Sono i componenti esterni a determinare infatti il funzionamento dell’op-amp. Scegliendo opportunamente i componenti da inserire nella catena di retroazione, l’op-amp può essere adattato al compito che deve assolvere.

Fabrizio Bianchini

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