6.7: Amplificador Operativo de Transconductancia

El Amplificador Operacional de Transconductancia, o\(OTA\) como normalmente se abrevia, se utiliza principalmente como un bloque de ganancia controlada. Esto significa que se utilizará una señal de control externa, ya sea una corriente o una tensión, para establecer un parámetro clave del circuito, como ganancia de bucle cerrado o\(f_2\). Esto no es lo mismo que los amplificadores operacionales programables discutidos anteriormente.

Las OTAs exhiben altas impedancias de salida. Están destinados a ser utilizados como fuentes de corriente. Por lo tanto, el voltaje de salida es una función de la corriente de salida y la resistencia de carga. La corriente de salida es establecida por la señal de entrada diferencial y la transconductancia de la OTA. La transconductancia es, a su vez, controlada por una corriente de configuración,\(I_{abc}\). Lo que todo esto significa es que la señal de salida es una función de\(I_{abc}\). Si\(I_{abc}\) se incrementa, la transconductancia sube y con ella, el voltaje de salida. Normalmente, las OTAs se operan sin retroalimentación. Una consecuencia importante de esto es que la señal de entrada diferencial debe permanecer relativamente pequeña para evitar la distorsión. Típicamente, la señal de entrada permanece por debajo de 100 mV pico a pico.

Figura\(\PageIndex{1}\): Circuito equivalente LM13700. Reimpreso cortesía de Texas Instrutments

Una de las primeras OTAs populares fue la 3080. Una versión mejorada de este chip es el LM13700. Cuenta con dos amplificadores en un solo paquete. Debido a que las OTA se modelan como fuentes de corriente de salida, el LM13700 incluye búferes simples de seguidor de emisor para cada OTA. La conexión a los búferes es opcional. También se incluyen diodos inearizantes de entrada que permiten niveles de entrada más altos y, por lo tanto, un rendimiento de señal a ruido superior. El esquema del LM13700 se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). La etapa de amplificador diferencial comprende\(Q_4\) y\(Q_5\) está polarizada por\(Q_2\). La corriente establecida por\(Q_2\) establece la transconductancia de esta etapa. \(Q_2\)es parte de un espejo de corriente hecho junto con\(Q_1\) y\(D_1\). \(Q_2\)refleja la corriente que fluye a través\(Q_1\). La corriente que fluye a través\(Q_1\) es\(I_{abc}\), y se establece externamente. Así, el amplificador diferencial es controlado directamente por la corriente externa.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Un ejemplo del uso de OTA se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). Este circuito es un simple amplificador controlado por voltaje (VCA). Caminemos por el circuito para ver cómo se derivaron los valores de los componentes.

Figura\(\PageIndex{2}\): Amplificador controlado por voltaje.

La ganancia del sistema es establecida por\(V_{control}\). La\(\Omega\) resistencia de 22 k se utiliza para\(V_{control}\) convertirse en\(I_{abc}\). El valor máximo para\(I_{abc}\) se especifica como 1 mA. Al hacer referencia a la Figura 6.3.4, se\(I_{abc}\) puede determinar una expresión para el máximo a partir de la Ley de Ohm.

\[ I_{abc} = \frac{V_{+} −V_{-} − V_{D1}}{R_{control}} \nonumber \]

\[ I_{abc} = \frac{5−(−5)−0.7}{22 k} \nonumber \]

\[ I_{abc} = 423\mu A \nonumber \]

Esto nos sitúa en aproximadamente la mitad del máximo permitido, dando un doble margen de seguridad. La gráfica de transconductancia LM13700 indica que podemos esperar un valor máximo de aproximadamente 10 miliSiemens con nuestro máximo\(I_{abc}\). Observe cómo se debe atenuar la señal de entrada para evitar sobrecargas. Para niveles de distorsión razonables, la entrada al LM13700 debe estar por debajo de 50 mV pico a pico. Esto se logra mediante el divisor de\(\Omega\) voltaje 33\(\Omega\) k/470. Este divisor produce una impedancia de entrada de aproximadamente 33 k\(\Omega\), y un factor de pérdida de

\[ Loss = \frac{470}{33 k+470} \nonumber \]

\[ Loss = 0.014 \nonumber \]

Esto significa que el circuito puede amplificar señales pico a pico tan grandes como

\[ 50 mV = V_{in-max} Loss \nonumber \]

\[ V_{in-max} = \frac{50 mV}{Loss} \nonumber \]

\[ V_{in-max} = 3.56 V \nonumber \]

La corriente del LM13700 impulsa un LF411 configurado como un convertidor de corriente a voltaje. La transresistencia de esta porción es de 22 k\(\Omega\). Usando la entrada máxima de 50 mV, la señal de salida máxima será

\[ I_{out -13700} = V_{in-13700} g_m \nonumber \]

\[ I_{out -13700} = 50 mV\times 10 ms \nonumber \]

\[ I_{out -13700} = 500\mu A \nonumber \]

Esta corriente conducirá el LF411 a una salida máxima de

\[ V_{out} = I_{out -13700} R_f \nonumber \]

\[ V_{out} = 500\mu A\times 22 k \nonumber \]

\[ V_{out} = 11 V \nonumber \]

Con las señales mostradas, este circuito actúa como un simple modulador de amplitud. La\(V_{control}\) señal se imprime sobre la señal de entrada. Estas son las señales de audio y portadora, respectivamente. Esta configuración también se puede utilizar como parte de un bucle AGC (control automático de ganancia). Además, tenga en cuenta la señal de CC ajustable aplicada a la entrada inversora. Esto se usa para anular el amplificador. Este es un punto importante. Cualquier desplazamiento de CC también se ve afectado por el cambio de ganancia, en efecto haciendo que la señal de control se “filtre” en la salida. Esto puede producir muchos efectos secundarios indeseables, incluyendo ruidos de chasquido y chasquido si el circuito se usa como un VCA de audio. Al anular el desplazamiento de salida, se eliminan estos efectos. Para mantener las entradas equilibradas,\(\Omega\) se agrega un 470 a la entrada inversora. Ahora, cada entrada ve aproximadamente 470\(\Omega\) a tierra.

Al diseñar un VCA como en el ejemplo anterior, generalmente comienza con voltajes de entrada y salida máximos conocidos. La resistencia de retroalimentación del convertidor de corriente a voltaje se elige para producir el potencial de salida máximo deseado cuando la OTA está produciendo su corriente de salida máxima. El potencial máximo de entrada de la OTA multiplicado por su transconductancia producirá la corriente de salida máxima de la OTA. Una vez establecida esta corriente, se\(R_{control}\) podrá determinar el valor de dado el rango de\(V_{control}\). El potencial de entrada OTA máximo permitido se determina a partir del gráfico de distorsión OTA, y en asociación con el voltaje de entrada máximo deseado, dicta la relación del divisor de voltaje de entrada.

Las OTAs también se pueden usar para crear filtros controlados por voltaje (VCF), donde la frecuencia de corte es una función de\(V_{control}\). La discusión de los filtros en general se encuentra en el Capítulo Once. Las OTAs se prestan a varias aplicaciones únicas. El lado negativo es que tienen un rango dinámico limitado. Es decir, el rango de amplitudes de señal que pueden manejar sin distorsión o ruido excesivos no es tan grande como lo es en muchos otros dispositivos.