LM741, TL072 e LM386: Amplificatori Operazionali, Schemi, Funzionamento e Applicazioni
Questi tre amplificatori operazionali rappresentano tre epoche e filosofie di progettazione distinte nel design di IC analogici. Comprendere la loro topologia interna spiega punti di forza, debolezze e applicazioni corrette.
1. LM741 – Il Classico Bipolare Generico (1968)
Topologia Interna Semplificata (Fairchild μA741 / NSC LM741)
- Stadio di Ingresso: Coppia differenziale (Q1, Q2) con carico specchio di corrente attivo (Q8, Q9) → Alto guadaggio di tensione, converte tensione differenziale in corrente singola.
- Stadio Intermedio (Guadaggio di Tensione / Shift di Livello): Amplificatore a emissione comune (Q13) con carico attivo (sorgente di corrente Q12B). Fornisce la maggior parte del guadaggio di tensione (~100.000+). Condensatore di compensazione Miller (Cc = 30 pF) domina la risposta in frequenza.
- Stadio di Uscita: Follower di emettitore Push-Pull Classe AB (Q14 NPN, Q20 PNP) con polarizzazione moltiplicatore VBE (Q18, R9, R10) per minimizzare la distorsione di crossover. Protezione cortocircuito (Q15, Q21, Q22, Q24).
- Circuito di Polarizzazione: Sorgente di corrente Widlar (Q10, Q11, R5) stabilisce correnti di riferimento. Compensata in temperatura.
Funzionamento e Caratteristiche
- Guadaggio a Circuito Aperto (Aol): ~200.000 (106 dB).
- GBW (Prodotto Guadaggio-Bandwidth): 1.0 – 1.5 MHz.
- Slew Rate (SR): 0.5 V/µs (Limitato da Cc e corrente di coda: SR = Itail/Cc).
- Corrente di Polarizzazione di Ingresso: ~80 nA (corrente di base BJT). Errore significativo con alta resistenza di sorgente.
- Tensione di Offset di Ingresso: ~1–5 mV (regolabile tramite piedini 1/5 null).
- Gamma di Alimentazione: ±5V a ±18V (10V–36V totale).
- Rumore: Moderato (~25 nV/√Hz @ 1 kHz).
Ideale Per:
Filtri attivi a bassa frequenza, strumentazione (con stabilizzazione chopper), follower di tensione, comparatori (lenti), didattica, applicazioni non critiche sensibili al costo.
Da Evitare Per:
Audio (alta distorsione/rumore), alta velocità (>50 kHz), alta impedenza di sorgente, precisione CC, esigenze single-supply rail-to-rail.
2. TL072 / TL074 – Doppio/Quad JFET-Input a Basso Rumore (1978)
Punti Salienti della Topologia Interna
- Stadio di Ingresso: **Coppia differenziale N-Channel JFET monolitica** (Q1, Q2). Corrente di gate = corrente di perdita (~5–50 pA). Impedenza di ingresso = 1012 Ω || 3–5 pF.
- Shift di Livello / Stadio di Guadaggio: Bipolare (simile al 741 ma ottimizzato).
- Stadio di Uscita: Push-Pull Classe AB (Bipolare). Protetto contro cortocircuiti.
- Compensazione: Interna ~18 pF. GBW = 3–5 MHz. SR = 13 V/µs (molto più veloce del 741).
Vantaggi Chiave rispetto a LM741
- Corrente di Polarizzazione di Ingresso Ultra-Bassa: Picoampere. Essenziale per sonde pH, fotodiodi, integratori a lungo termine, sample-and-hold.
- Basso Rumore di Tensione: ~18 nV/√Hz. Eccellente per preamplificatori audio, strumentazione medica.
- Alto Slew Rate: 13 V/µs gestisce transienti audio, segnali video.
- Bassa Distorsione: THD ~0,003% (contro >0,1% del 741).
- Ampia Gamma di Alimentazione: ±3,5V a ±18V (7V–36V).
Limitazioni
- Inversione di Fase: Se un ingresso supera VCC- + ~4V (limite common-mode), l'uscita si inverte (si blocca alto). Non superare mai il negativo di alimentazione sugli ingressi.
- Oscillazione in Uscita: Non rail-to-rail. Tipicamente (V- + 1,5V) a (V+ - 1,5V).
- Stabilità con Carico Capacitivo: Può oscillare guidando >50–100 pF direttamente. Necessita resistore di isolamento.
Ideale Per:
Audio (preamp, mixer, EQ), Filtri Attivi (Sallen-Key, MFB), Strumentazione (sorgenti ad alta Z), Buffer per acquisizione dati, Generatori di funzione.
3. LM386 – L'Amplificatore di Potenza Audio (Non un Op-Amp Generico)
Topologia: Amplificatore di Potenza Specializzato
- Ingresso: Coppia differenziale PNP riferita a Terra (Piede 4). Permette segnale di ingresso riferito a terra.
- Impostazione Guadaggio: Resistenze interne 1,35 kΩ + Condensatore esterno (Piedi 1 & 8).
- Piedi 1&8 Aperti: Guadaggio = 20 (26 dB).
- Condensatore (10µF) Piedi 1&8: Guadaggio = 200 (46 dB).
- Rete RC Piedi 1&8: Guadaggio regolabile 20–200.
- Uscita: Push-Pull Classe AB (tipo Darlington) con limitazione di corrente. Guida direttamente altoparlanti 4Ω–32Ω.
- Alimentazione: 4V–12V (18V max). Solo Alimentazione Singola (Piede 6 = VS, Piede 4 = GND).
- Corrente a Riposo: ~4 mA (Molto bassa). Amica delle batterie.
Prestazioni
- Potenza in Uscita: 325 mW (8Ω, 6V, Guadaggio=20), 700 mW (8Ω, 9V, Guadaggio=200).
- THD: ~0,2% (Guadaggio=20), ~1% (Guadaggio=200).
- BW: ~300 kHz (Guadaggio=20).
- PSRR: ~50 dB (Moderato). Necessita disaccoppiamento alimentazione (100µF + 0,1µF al Piede 6).
Ideale Per:
Audio alimentato a batteria: radio portatili, citofoni, giocattoli, amplificatori per esercizio chitarra, driver ultrasonici, driver altoparlanti a bassa tensione.
Non Adatto Per:
Preamplificazione (usa TL072/NE5532), Uscita linea, Alta fedeltà, Bridge-Tied Load (BTL) senza due chip.
Matrice di Selezione Rapida
| Parametro | LM741 | TL072 | LM386 |
|---|---|---|---|
| Tipo di Ingresso | BJT | JFET | PNP BJT |
| Ibias | 80 nA | 30 pA | 250 nA |
| GBW | 1 MHz | 4 MHz | N/A (Amplificatore di Potenza) |
| Slew Rate | 0,5 V/µs | 13 V/µs | ~5 V/µs |
| Alimentazione | ±5–±18V | ±3,5–±18V | 4–12V Singola |
| Guida in Uscita | ±10 mA | ±10 mA | ~200 mA (4Ω) |
| Ruolo Primario | Amplificatore di Tensione Generico | Amplificatore di Tensione di Precisione / Audio | Amplificatore di Potenza Audio |
Scegli la topologia che corrisponde al livello di segnale, impedenza, banda e carico. Non usare un amplificatore di potenza (LM386) per condizionamento di segnale, e non usare un 741 per audio.