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En este artículo, continuamos nuestro estudio del amplificador de realimentación actual. También veremos un amplificador compuesto que combina los beneficios de la topología de realimentación de voltaje y la topología de realimentación de corriente.

Antes de continuar, considere revisar la información de los dos artículos anteriores sobre VFA (amplificadores de realimentación de voltaje) y CFA (amplificadores de realimentación de corriente):

Configurando un CFA: La importancia de R_F

En general, cada nodo en un circuito contribuye con una frecuencia de polos del tipo

Ecuación (1)

dónde R_nodo es la resistencia equivalente presentada por ese nodo, y do_nodo Es su capacidad parásita hacia el suelo.

En el último artículo, consideramos un esquema de CFA específico, que se muestra a continuación:

Figura 1. Esquema de circuito de un CFA (arriba), y sus bloques constituyentes (abajo).

Aquí, cada nodo que no sea el nodo de ganancia es tal que R_nodo << R_gn, dónde R_gn Es la resistencia equivalente presentada por el nodo de ganancia. Como resultado, la ganancia de transimpedancia en bucle abierto z (jf) está dominado por el polo del nodo de ganancia F_pag = 1 / (2πR_gndo_gn), con todos los polos restantes típicamente agrupados al menos unas 3-4 décadas por encima de este polo dominante.

El valor óptimo de R_F especificado en hojas de datos es el resultado de una compromiso entre el deseo de mantener el 1 / ß Curva lo más baja posible para maximizar la ganancia del bucle. T, y la necesidad de evitar empujar su frecuencia de cruce. F_X en la región de desfase excesivo debido a la mayor frecuencia polos

Por lo tanto, al configurar un CFA para la operación del seguidor de voltaje, debemos incluir R_F en su ruta de retroalimentación, como se muestra en la Figura 2(una).

(a) (b)

Figura 2. (a) Un CFA seguidor de voltaje, y (b) su curva 1 / β. Usando un cable en lugar de R_F Desestabilizaría el circuito y haría que oscilara.

El uso de un cable plano, como en el caso de un VFA, empujaría hacia abajo el 1 / β curva hasta que coincida con r_norte y cruza el |z| curva en una región de cambio de fase excesivo, donde no quedaría margen de fase, y el circuito seguramente oscilaría.

Siempre que un CFA esté equipado con el adecuado R_F, se puede utilizar en prácticamente todas las aplicaciones resistivas que son típicas de los VFA, como invirtiendo y amplificadores no inversores, sumando amplificadores, amplificadores de diferenciay Convertidores I-V.

Funciona bien también en aplicaciones de filtro que utilizan amplificadores operacionales con retroalimentación resistiva.

Problemas de estabilidad con los CFA: aplicaciones integradoras

A pesar de la versatilidad de un CFA con un apropiado R_F, el uso del CFA como el popular integrador de Miller no está permitido debido a consideraciones de estabilidad. Para ver por qué, consulte la Figura 3(una), donde notamos que dado que el elemento de retroalimentación es la impedancia Z_F = 1 / (j2πfC), ahora tenemos 1 /β = Z_F + r_norte.

(a) (b)

Figura 3. (a) Un integrador Miller y (b) su curva 1 / β.

A bajas frecuencias, donde |Z_F| >> r_norte, tenemos |1 / β| → 1 / (2πfC), y en altas frecuencias, donde |Z_F| << r_norte, tenemos |1 / β| → r_norte. Como se muestra en la Figura 3(segundo)La frecuencia de cruce se encuentra nuevamente en una región de cambio de fase excesivo, donde no queda margen de fase y es probable que el circuito oscile.

Cómo ganar estabilidad usando un CFA doble

La realización alternativa del concepto anterior utiliza dos CFA para proporcionar la función de integración sin desestabilizar ninguno de los CFA:

Figura 4. Realización de integradores utilizando un doble CFA.

Aquí, CFA₂ funciona como un amplificador inversor de ganancia unitaria, impulsando la placa derecha del condensador con el voltaje –V_o. La corriente a través de R_F1 = V_o/ z₁, (dónde z₁ es la ganancia de bucle abierto de CFA₁) es extremadamente pequeño, por lo que asumimos la entrada no inversora de CFA₁ estar a cero potencial.

Esto nos permite escribir, por KCL,

Ecuación (2)

dando la función de transferencia,

Ecuación (3)

Esta es la función de transferencia de un integrador no inversor teniendo F_o como su frecuencia de ganancia unitaria. Este circuito, fácilmente realizable con un doble CFA IC, también tiene la ventaja de compensación de frecuencia activa [1], una característica muy deseable para hacer frente a Q-mejora Problemas en los filtros de bucle integrador dual.

Cómo contrarrestar la demora de fase en un CFA

Hay situaciones en las que se permite una capacitancia de retroalimentación (pequeña), y esto es cuando es necesario contrarrestar el retardo de fase que surge de la presencia de una capacitancia parásita sustancial en la entrada inversora.

Un ejemplo típico es la conversión I-V de un convertidor de digital a analógico (DAC) de salida de corriente, que aparece como un sumidero de corriente yo_yo con una capacitancia parásita paralela do_s en el orden de decenas o incluso cientos de picofaradios, como se muestra en la Figura 5(una).

(a) (b)

Figura 5. (a) Convertidor I-V, y (b) investigando su estabilidad a través de diagramas de Bode linealizados: el subíndice u significa sin compensación (C_F = 0) y subíndice c para compensado (C_F en su lugar).

Idealmente, el circuito daría V_o = R_Fyo_yo. Deseamos evaluar el efecto de do_s gráficamente. Observamos que a bajas frecuencias, donde do_s Actúa como un circuito abierto, todavía tenemos 1 / β → R_F+ r_norte. La presencia de do_s comienza a sentirse cuando su impedancia |Z_s| se vuelve igual a la resistencia vista por do_s en sí, que es R_F||r_norte. Esto ocurre en la frecuencia F_pag tal que |1 / (j2πf_pagdo_s)| = R_F||r_norteo

Ecuación (4)

donde el hecho de que r_norte << R_F ha sido explotado.

Pasado F_pag, la 1 / β la curva comienza a subir, Indicando que F_pag es un frecuencia cero para 1 / β, y por lo tanto un frecuencia de polo para la ganancia de bucle T = zβ, dónde z Es la ganancia en bucle abierto del CFA. Este polo erosiona el margen de fase del circuito y lo pone al borde de la oscilación, por lo que necesitamos algún tipo de compensación de frecuencia.

Para contrarrestar el retardo de fase debido a do_s les presentamos fase líder a través de un condensador de retroalimentación do_F, como se muestra. Un buen punto de partida es romper el 1 / β curva a la derecha en la frecuencia de cruce F_X, lo que dará lugar a un margen de fase de alrededor de 45 °.

Teniendo en cuenta que r_norte << R_F, podemos aproximar la frecuencia de cruce entre los R_F + r_norte curva y la z curva como F_t. Entonces F_Xes el significado geometrico de F_pag y F_ttan imponente

Ecuación (5)

y resolviendo para do_Fda

Ecuación (6)

Si se desea un margen de fase mayor que el estimado de 45 °, se puede lograr aumentando adecuadamente el valor de do_F. Esta tarea se hace mejor empíricamente observando la respuesta al escalón con un osciloscopio y elevando do_F hasta que el exceso se reduzca a un valor aceptable.

El amplificador compuesto: lo mejor de los CFA y los VFA

Las dinámicas rápidas (anchos de banda amplios, así como altas tasas de giro) y las características de baja distorsión de los CFA los hacen adecuados para aplicaciones de alta velocidad como sistemas de video, sistemas de radar, etapas IF y RF, DSL y equipo de prueba automatizado aplicaciones

Los VFA, por otro lado, ofrecen mejores características de CC (bajo voltaje de compensación de entrada y corrientes de polarización), menor ruido y mayores ganancias de bucle, por lo que se adaptan mejor a las aplicaciones de precisión.

La Figura 6 muestra un amplificador compuesto que ofrece lo mejor de ambos mundos.

Figura 6. Un amplificador compuesto que disfruta de lo mejor de los mundos VFA y CFA.

El circuito utiliza un VFA con un producto de ancho de banda de ganancia constante (GBP) de 10 MHz para lograr una ganancia de bucle cerrado de 100 V / V con un ancho de banda de bucle cerrado de también 10 MHz. Si actuara solo, el VFA sería capaz de un ancho de banda de solo (10 MHz) / 100 = 100 kHz. Sin embargo, la conexión en cascada con un CFA mucho más rápido con una ganancia de 100 hará que el VFA amplíe solo 1 V / V, es decir, que actúe como un simple seguidor de voltaje, cuyo ancho de banda de circuito cerrado sabemos que coincide con su GBP , a su vez coincidiendo con F_t.

Figura 5. Diagramas de Bode para el amplificador compuesto de la Figura 6. En cascada del VFA con un CFA que tiene una ganancia A de bucle cerrado_CFA de 40 dB desplaza la ganancia de bucle abierto del VFA a_VFA hacia arriba también en 40 dB, lo que da como resultado la ganancia de bucle abierto compuesto una_comp, y en la ganancia compuesta de bucle cerrado A_comp. Observe cómo se engaña al VFA para que actúe como un seguidor de voltaje de ganancia unitaria con una ganancia de bucle cerrado A_VFA de 0 dB.

Para evitar desestabilizar el VFA mediante la introducción de cualquier retraso sustancial dentro de su circuito de retroalimentación, el ancho de banda del circuito cerrado del CFA debería ser mucho más alto (por ejemplo, una década o más) que el GBP del VFA, un objetivo fácilmente alcanzable con el CFA más rápidos.

El circuito disfruta de las mejores características de entrada del VFA (errores y ruido de CC de entrada baja), así como de la máxima ganancia de bucle alcanzable al tiempo que proporciona la alta velocidad de giro y la menor distorsión del CFA. Tenga en cuenta también que cualquier sobrecalentamiento por la etapa de salida del CFA nunca alcanzará la etapa de entrada del VFA, reduciendo así significativamente los efectos de la deriva térmica de entrada.

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En este artículo, continuamos nuestra investigación de la topología del circuito CFA. Discutimos cómo se puede usar el CFA en las aplicaciones resistivas que a menudo se adaptan a los VFA (es decir, amplificadores de inversión y no de inversión, amplificadores de suma, amplificadores de diferencia y convertidores I-V).

También observamos los límites de este concepto, ya que la estabilidad evita que el CFA sea apropiado para las aplicaciones del integrador Miller, pero cómo se puede lograr la integración a través del uso de un CFA doble.

Finalmente, exploramos el concepto del amplificador compuesto, que combina las fortalezas de dos amplificadores separados para lograr un rendimiento que no es posible con un solo amplificador solo.

Referencias

[1] http://online.sfsu.edu/sfranco/BookOpamp/OpampsJacket.pdf