Amplificadores de realimentación de corriente vs. Amplificadores de realimentación de voltaje: similitudes y diferencias

Este artículo analiza las diferencias entre los amplificadores de realimentación de voltaje y los amplificadores de realimentación de corriente.

La aplicación más común del amplificador operacional es como la amplificador de error de un circuito de retroalimentación negativa. Hoy en día, los amplificadores operacionales vienen en dos tipos: amplificador de realimentación de voltaje (VFA), para el cual el error de entrada es un voltaje; y el amplificador de realimentación de corriente (CFA), para el cual el error de entrada es un corriente.

Los AGV han ganado una gran popularidad desde que estuvieron disponibles en forma monolítica en los años sesenta. Los CFA, por otro lado, estuvieron disponibles en forma monolítica solo en la década de 1980, cuando muchos usuarios potenciales, por entonces bien versados ​​en el VFA, no se sentían a gusto con el nuevo CFA.

El propósito de este artículo es disipar posibles malentendidos de estos dos tipos de dispositivos señalando sus similitudes y sus diferencias.

Fundamentos de VFA y CFA

Ejemplo VFA: fuente de voltaje controlada por voltaje

Con referencia a la figura 1una, el VFA se modela mediante un fuente de voltaje controlada por voltaje (VCVS), con una representando el ganancia de bucle abierto, en V / V, y V_resiendo el señal de error.

(una) (segundo)

Figura 1. Amplificador no inversor que utiliza el modelo idealizado de (a) el VFA y (b) el CFA.

Mediante inspección,

Ecuación (1)

Usando KVL y la fórmula del divisor de voltaje, escribimos

Ecuación (2)

dónde segundo se llama el factor de retroalimentación, definido como

Ecuación (3)

Sustituyendo la ecuación (2) en la ecuación (1), recopilando y resolviendo la relación V_o/V_yo, obtenemos

Ecuación (4)

dónde UNA se llama el ganancia de bucle cerrado. Pongamos la expresión anterior en la forma más perspicaz.

Ecuación (5)

dónde

Ecuación (6)

y T se llama el ganancia de bucle,

Ecuación (7)

Esta designación se deriva del hecho de que V_re se magnifica primero por la ganancia de bucle abierto una y luego es atenuado por el factor de retroalimentación segundo, así que la ganancia general que experimenta alrededor del bucle es T = unasegundo. (Tenga en cuenta que T es adimensional.)

Claramente, el límite T → ∞ se logra para una → ∞.

Ejemplo CFA: Fuente de voltaje controlado por corriente

Volviendo al lado de la figura 1segundo, observamos que el CFA está modelado mediante un fuente de voltaje controlado por corriente (CCVS), con z representando el ganancia de bucle abierto, en V / A o en W (por esta razón, el CFA también se dice que es un amplificador de transimpedancia.)

los señal de error ahora es la corriente yo_norte afuera del buffer de voltaje de ganancia unitaria conectado a través de los pines de entrada. (La forma en que el dispositivo logra responder a esta corriente se aclarará en el próximo artículo sobre amplificadores de realimentación de corriente, cuando veamos su esquema a nivel de transistor).

En la representación idealizada que se muestra, se supone que este búfer tiene una impedancia de entrada infinita y una impedancia de salida cero.

Mediante inspección,

Ecuación (8)

Utilizando KCL y la ley de Ohm, y también explotando el hecho de que el búfer de entrada proporciona V_norte = V_pag = V_yo, nosotros escribimos

Ecuación (9)

donde el factor de retroalimentación ahora se define como

Ecuación (10)

y está en A / V o W^–1. Sustituyendo la ecuación (9) en la ecuación (8), recolectando y resolviendo la relación V_o/V_yo, obtenemos el ganancia de bucle cerrado

Ecuación (11)

Pongamos esta expresión en la forma ya familiar de la ecuación (5):

Ecuación (12)

dónde

Ecuación (13)

y el ganancia de bucle es ahora

Ecuación (14)

Esta expresión se deriva del hecho de que yo_norte se multiplica primero por z para producir V_o, y entonces V_o se divide por R_F para producir de nuevo una corriente, por lo que la ganancia general alrededor del bucle es T = zsegundo. (Tenga en cuenta que z está en V / A y segundo está en A / V, entonces T es adimensional.) Claramente, el límite T → ∞ se logra para z → ∞.

Comparando un ejemplo CFA con un ejemplo VFA

Para apreciar mejor las similitudes y diferencias entre los dos tipos de amplificadores operacionales, considere los circuitos de la Figura 2, diseñados para amplificar una entrada de 1.0 V con UNA_ideal = 10.0 V / V.

Para el circuito VFA, usamos la ecuación (7) para encontrar T = 10,000. Luego encontramos UNA a través de la ecuación (5), y V_re a través de la ecuación (1).

(una) (segundo)

Figura 2. Configuración de (a) un VFA y (b) un CFA para la amplificación no inversora con A_ideal = 10.0 V / V.

Para el circuito CFA, usamos la ecuación (14) para encontrar T = 400. Luego encontramos UNA a través de la ecuación (12), y yo_norte a través de la ecuación (8). Además, calculamos las corrientes a través de R_sol y R_F a través de la ley de Ohm.

Nosotros hacemos las siguientes observaciones:

• El VFA necesita un voltaje de control (pequeño) V_re forzar el VCVS AV_re para sostener lo dado V_o. Sólo en el límite idealizado de una → ∞ obtenemos V_re → 0, o V_norte = V_pag.
• El CFA tiene V_norte = V_pag por el buffer de entrada de ganancia unitaria.
• El VFA dibuja corriente cero en sus dos pines de entrada.
• El CFA toma corriente cero en su pin de entrada no inversor. Sin embargo, el búfer de entrada necesita obtener una corriente de control (pequeña) yo_norte fuera del pin de entrada de inversión para forzar el CCVS zI_norte para sostener lo dado V_o. Sólo en el límite idealizado de z → ∞ obtenemos yo_norte → 0.

Comportamiento AC de los circuitos VFA y CFA

La mayoría de los VFA tienen una respuesta de bucle abierto a (jf) del tipo de polo dominante que se muestra en la Figura 3a, donde a0 es la ganancia de CC y fb es la frecuencia del polo dominante, también llamada frecuencia de –3 dB de | a ( jf) |.

(una) (segundo)

Figura 3. Visualización gráfica de la ganancia de bucle T como la diferencia entre la curva de ganancia de bucle abierto y la curva 1 / β para (a) el circuito VFA y (b) el circuito CFA de la Figura 1.

Este tipo de respuesta también se dice que exhibe una producto de ganancia constante de ancho de banda (GBP constante), porque en cualquier punto de la parte inclinada de la curva el producto GBP = |una| ×F es constante Por ejemplo, el popular 741 op-amp tiene una₀ = 200,000 V / V y F_segundo = 5 Hz, entonces su GBP = una₀×F_segundo = 1 MHz, y permanece constante en toda la curva hasta la frecuencia de transición F_t, así llamado porque marca el punto en el cual el amplificador hace la transición de amplificación a atenuación.

Ahora escribiendo T = unasegundo = una/ (1 /segundo), tomando los logaritmos y multiplicando por 20 para convertir a decibelios, da

Ecuación (15)

lo que indica que podemos visualizar el gráfico de decibeles de |T| como el diferencia entre las parcelas de decibelios de |una| y | 1 /segundo|, como se muestra en la Figura 3una. Tenga en cuenta que en la frecuencia de cruce F_X nosotros tenemosT |_dB = 0, o |T | = 1; por otra parte, |T | > 1 para F < F_X, y |T | <1 para F > F_X. Debido a que el GBP es constante, podemos escribir (1+R₂/R₁) ×F_X = 1 ×F_to

Ecuación (16)

Usando la figura 3una, junto con la ecuación (5), construimos la respuesta de CA de circuito cerrado UNA(jf) como sigue:

• A bajas frecuencias, donde |T | >> 1, nos aproximamos UNA(jf) ≅ UNA_ideal.
• En altas frecuencias, donde |T | << 1, nos aproximamos UNA(jf) ≅ UNA_idealT = (1+R₂/R₁)una(jf)R₁/ (R₁+R₂) = una(jf).
• La frecuencia límite F_X en el cual |T| = 1 aproxima la frecuencia de –3-dB de |UNA(jf) |.

El procedimiento anterior se muestra en la Figura 4una por tres valores de UNA_ideal (0, 20 y 40 dB, correspondientes a 1, 10 y 100 V / V).

(una) (segundo)

Figura 4. Comparando las ganancias de bucle cerrado de (a) los VFA y (b) los amplificadores no inversores de CFA para tres valores diferentes de A_ideal (0, 20 y 40 dB, correspondientes a 1, 10 y 100 V / V).

Tenga en cuenta que a medida que aumentamos UNA_ideal elevando el R₂/R₁ relación, la frecuencia de –3 dB disminuye en proporción, en la ecuación (16), por lo que se dice que el circuito VFA exhibe una compensación de ganancia de ancho de banda.

Pasando al lado del caso CFA de la Figura 3segundo, observamos que la respuesta de bucle abierto z(jf) de un CFA es también de la polo dominante tipo, con z₀ como el dc ganancia y F_segundo como el frecuencia del polo dominante. Ya que z está en V / A o W, ya no podemos expresarlo en decibelios; sin embargo, todavía utilizamos escalas logarítmicas, después de lo cual la Ecuación (14) indica que podemos visualizar |T| como el diferencia entre las parcelas logarítmicas de |z| y | 1 /segundo|, como se muestra en la Figura 3segundo.

Ahora vemos una ventaja inherente del CFA: desde su frecuencia de cruce F_t depende solamente en R_F (en lugar de en 1 + R_F/R_sol), podemos mantener R_F fijo y establecer diferentes valores de UNA_ideal por variar R_sol. Como se ilustra en la Figura 4segundo, todas las respuestas de bucle cerrado ahora exhiben la mismo Frecuencia de –3 dB.

Resumen

Podemos resumir nuestra comparación de amplificadores de realimentación de voltaje y amplificadores de realimentación de corriente a través de dos viñetas adicionales:

• El amplificador no inversor VFA está limitado por un compensación de ganancia de ancho de banda.
• El amplificador no inversor CFA está relativamente libre de una compensación de ganancia de ancho de banda, ya que su ganancia de bucle cerrado se puede configurar independientemente de la frecuencia a través de R_sol.

Una ventaja adicional de los CFA en comparación con los AGV es la ausencia de limitación de velocidad de rotación, una característica que se investigará en el próximo artículo, junto con las desviaciones de la vida real del modelo idealizado de la Figura 1segundo.