Capacità di carico di un amplificatore operazionale

 Oltre alla presenza di una capacità connessa tra i terminali di ingresso , detta capacità differenziale, e a una coppia di capacità connesse ognuna tra un terminale di ingresso e la massa, dette capacità di modo comune, esiste anche una capacità associata all’uscita, definita capacità di carico, indicata con CL.

Figura 1: capacità di carico di un operazionale.

Il primo effetto ravvisabile di questa capacità è la limitatezza dello slew-rate, inteso come il valore massimo del rapporto tra la variazione della tensione di uscita e l'intervallo di tempo.

Un secondo effetto, ancor più importante, è legato all'instabilità del sistema in toto. Infatti, la capacità di carico introduce un comportamento dinamico nel sistema, causando sovraelongazioni (overshoot) e rallentamenti nella risposta transitoria, poiché l'opamp deve caricare e scaricare la capacità attraverso le resistenze del circuito. Basta un circuito buffer (inseguitore di tensione) al cui ingresso viene imposto un segnale a onda quadra(figura 2) per osservare l'effetto.

Figura 2: inseguitore di tensione con capacità di carico.

In figura 3 vengono mostrati i grafici nel dominio del tempo che plottano l'andamento del segnale di ingresso e la corrispondente uscita.

Figura 3. Effetto della capacità di carico sull'uscita.

A parità di capacità, l'aumento della frequenza del segnale di ingresso provoca una maggior durata delle oscillazioni, aumentando così il tempo di assestamento, l'intervallo necessario al segnale di uscita per stabilizzarsi sul valore di regime.

Il guadagno di anello del circuito in figura 2 è mostrato in figura 4. 

Figura 4: guadagno di anello del buffer.

La frequenza alla quale il guadagno vale 0 dB è circa di 2,5 MHz e a ciò vale un margine di fase di circa 5°. L'instabilità è appena stata provata. 

Occorre quindi attuare un piano di "stabilizzazione" del circuito. La soluzione è quella di inserire una resistenza ai capi dei terminali di ingresso al fine di ridurre l'ampiezza del guadagno di anello. Viene definita RS (figura 5).

Figura 5: resistenza di stabilizzazione RS.

Provando a fare una simulazione nel tempo del segnale di uscita, imponendo una capacità di carico di 100 nF e il segnale di ingresso sempre onda quadra, risulta che non sono necessari valori molto alti della resistenza affinché ci sia stabilità (figura 6). 

Figura 6. Tensione in uscita al variare della resistenza di stabilizzazione.

Già un resistore di valore 1 Ohm porta alla quasi completa stabilità del sistema. Salendo con valori alti, ciò si perde. Al contrario, circuiti come l'amplificatore invertente o il non invertente necessitano di resistenze di stabilità con valori più alti.

In un amplificatore a configurazione non invertente, con resistenze dí retroazione pari a 10k ciascuna e capacità di carico pari a 100 nF, è possibile stabilire il valore della resistenza di stabilizzazione tramite una simulazione step in LTSpice, la quale mostra il valore del margine di fase al variare della resistenza suddetta. Non appena il margine di fase è maggiore di 45, allora il valore della resistenza può essere scelto. Osservare la figura 7.

Figura 7: margine di fase al variare della resistenza di stabilizzazione.

Osservando la figura, il margine di fase è maggiore di 45° solo quando la resistenza di stabilizzazione ha valori inferiori a 800 Ohm. Un buon risultato.

La capacità di carico è un fattore importante da considerare nella progettazione di circuiti con amplificatori operazionali, soprattutto nelle applicazioni ad alta frequenza o con cablaggi lunghi. Se non gestita correttamente, può portare a problemi di stabilità e ridurre le prestazioni del sistema. Tuttavia, con le opportune tecniche di compensazione e scelta dell'opamp adeguato, è possibile limitare o eliminare gli effetti negativi della capacità di carico.