6.9: Amplificadores de retroalimentación de corriente

El amplificador de retroalimentación de corriente es un dispositivo único en el mundo de los circuitos integrados lineales. Su principal ventaja es que no sufre de la estricta compensación de ganancia/ancho de banda típica de los amplificadores operacionales normales. Esto significa que es posible aumentar su ganancia sin incurrir en una disminución igual en el ancho de banda. Esto tiene ventajas obvias para aplicaciones de alta velocidad. Además, estos dispositivos tienden a estar libres de efectos de giro.

Figura\(\PageIndex{1}\): Amplificador de retroalimentación de corriente equivalente.

Un modelo equivalente de un amplificador de realimentación de corriente no inversora se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Este dispositivo utiliza una fuente de transimpedancia (es decir, una fuente de voltaje controlado por corriente) para traducir la corriente de retroalimentación en una tensión de salida. En lugar de depender de la retroalimentación negativa para mantener los terminales de inversión y no inversión en el mismo potencial, el amplificador de retroalimentación de corriente utiliza una memoria intermedia de ganancia de unidad colocada entre las dos entradas. De esta manera, el potencial que impulsa la entrada no inversora también debe aparecer en la entrada inversora. Además, la memoria intermedia exhibe una impedancia de salida baja dentro o fuera de la cual puede fluir la corriente de retroalimentación. A partir de este diagrama podemos derivar la expresión general de voltaje-ganancia.

Por inspección

\[ V_{in} = V_{+} = V_{-} \label{6.21} \]

\[ I_{1} = \frac{V_{in}}{R_1} \label{6.22} \]

\[ I_{2} = \frac{V_{out} – V_{in}}{R_2} \label{6.23} \]

\[I_{f} = I_1 − I_2 \label{6.24} \]

\[ V_{out} = A_{ol} I_f \label{6.25} \]

Combinando\ ref {6.22},\ ref {6.23}, y\ ref {6.24} con\ ref {6.25} rendimientos

\[ V_{out} = A_{ol}( \frac{V_{in}}{R_1} − \frac{V_{out}−V_{in}}{R_2} ) \label{6.26} \]

La simplificación sigue

\[\frac{V_{out}}{A_{ol}} = \frac{V_{in}}{R_1} − \frac{V_{out} – V_{in}}{R_2} \\ \frac{V_{out}}{A_{ol}} = \frac{V_{in} R_2 − V_{out} R_1 + V_{in} R_1}{R_1 R_2} \\ \frac{V_{out} R_1 R_2}{A_{ol}} = V_{in} R_2 − V_{out} R_1 + V_{in} R_1 \\ \frac{V_{out} R_1 R_2}{A_{ol}} + V_{out} R_1 =V_{in} (R_2+R_1) \nonumber \]

\[V_{out}( \frac{R_1 R_2}{A_{ol}} + R_1) = V_{in} (R_2+R_1) \label{6.27} \]

Ahora resolvemos\ ref {6.27} en términos de\(V_{out}/V_{in}\), que es\(A_v\).

\[ \frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac{R_1 + R_2}{\frac{R_1 R_2}{A_{ol}} + R_1} \\ A_v = \frac{R_1 + R_2}{\frac{R_1 R_2}{A_{ol}} + R_1} \nonumber \]

\[ A_v = \frac{\frac{R_2}{R_1} + 1}{\frac{R_2}{A_{ol}} + 1} \label{6.28} \]

Si, por conveniencia, definimos\(R_2/R_1\) + 1 como G, la ecuación\ ref {6.28} se convierte

\[ A_v = \frac{G}{\frac{R_2}{A_{ol}} +1} \label{6.29} \]

Si\(A_{ol}\) es suficientemente grande, esto puede aproximarse como

\[ A_v = G \nonumber \]

\[ A_v = \frac{R_2}{R_1} +1 \label{6.30} \]

La ecuación\ ref {6.30} es idéntica a la ecuación de ganancia aproximada para una etapa de op amp no inversora ordinaria. Una mirada más cercana a la ecuación exacta (\ ref {6.29}) revela una diferencia importante con la expresión exacta serie-paralelo examinada en el Capítulo Tres

\[ A_v = \frac{A_{ol}}{1+\beta A_{ol}} \nonumber \]

Como recordarás,\(\beta\) es el factor de retroalimentación y determina la ganancia de bucle cerrado. A una primera aproximación\(\beta A_{ol} \gg 1\), y así, la ganancia serie-paralelo es idealmente 1/\(\beta\). A medida que aumenta la frecuencia, sin embargo, el valor de Aol baja, y pronto esta aproximación ya no se mantiene. Es muy importante señalar que el punto en el que la idealización deja de ser exacta es una función de\(\beta\). Para mayores ganancias de bucle cerrado,\(\beta\) es menor, y por lo tanto, el\(\beta A_{ol}\) producto alcanza la unidad a una frecuencia más baja. Es esta misma interdependencia la que causa el trade-off de ganancia/ancho de banda. Una mirada cercana a la Ecuación\ ref {6.29} no muestra tal interdependencia. En este caso, el denominador no está influenciado por el factor de retroalimentación. En su lugar está el valor de resistencia fijo\(R_2\). Normalmente,\(R_2\) es establecido por el fabricante del dispositivo, y suele ser de alrededor de 1 k\(\Omega\) a 2 k\(\Omega\) de tamaño. La ganancia de bucle cerrado se establece alterando el valor de\(R_1\). Esto significa que la frecuencia de corte superior de bucle cerrado no depende de la ganancia de bucle cerrado. Este es el caso ideal. En realidad, los efectos secundarios provocarán cierta disminución de\(f_2\) con el aumento\(A_v\). Este efecto es notable a ganancias medias a altas, pero sigue siendo considerablemente menor de lo que produciría un amplificador operacional ordinario. Por ejemplo, un salto en la ganancia de 10 a 100 puede caer\(f_2\) de 150 MHz a solo 50 MHz, mientras que un dispositivo ordinario caería a 15 MHz.

El CLC1606 de Exar es un ejemplo de un amplificador de retroalimentación de corriente. Cuenta con una velocidad de giro de 3300 V/μs, un ancho de banda de 1.3 GHz y una capacidad de corriente de salida de 120 mA. Esto lo hace ideal para aplicaciones como controladores de línea de alta velocidad o controladores de pantalla de video. Las características y el circuito típico se muestran en la Figura\(\PageIndex{2}\). La figura\(\PageIndex{3}\) muestra las especificaciones de CA. Tenga en cuenta la pequeña variación en a\(f_2\) medida que la ganancia se cambia de 1 a 2. En un amplificador operacional “normal” el ancho de banda se reduciría a la mitad.

Figura\(\PageIndex{2}\): Amplificador de retroalimentación de corriente CLC1606. Reimpreso cortesía de Exar

Figura\(\PageIndex{3}\): Especificaciones CLC1606. Reimpreso cortesía de Exar

Ejemplo 6.7

Diseñe un amplificador no inversor de 100 MHz con una ganancia de voltaje de 14 dB, utilizando el CLC1606.

Por diseño, el CLC1606 cumplirá con nuestro requisito de ancho de banda, siempre y cuando la ganancia deseada no sea excesiva. Una ganancia de voltaje de 14 dB se traduce en una ganancia ordinaria de 5, que no es excesiva. \(R_f\)es típicamente relativamente bajo y asumiendo un\(R_f\) de 390\(\Omega\), encontramos

\[ A_v = 1+ \frac{390}{R} \nonumber \]

\[ R_g = \frac{390}{A_v−1} \nonumber \]

\[ R_g = \frac{390}{5−1} \nonumber \]

\[ R_g = 97.5 \Omega \nonumber \]

Al igual que con cualquier amplificador de alta velocidad, se debe tener cuidado a la hora de colocar este circuito. Si no lo hace, puede degradar seriamente el rendimiento del amplificador.