AMPLIFICADORES DE REALIMENTACIÓN EN CORRIENTE
INTRODUCCIÓN.
La principal ventaja de la topología de amplificador realimentación en corriente es la altísima velocidad
que proporciona. Desde hace unos años, a pesar de que sólo
llegamos a oir hasta 20kHz, muy en contra del diseño tradicional
por parte de ingenieros y audiófilos, se ha comprobado que aumentar
la velocidad (ancho de bada, slew-rate, tiempos de almacenamiento, retrasos
de propagación...) tiene como consecuencia directa una mejora
del sonido, de hecho cualquier amplificador de estado sólido
de una cierta calidad supera los 10V/µs, aunque el máximo
que impone el formato digital 44kHz, 16bit es de aproximadamente 1V/µS.
En los diseños que se basan o se apoyan en la realimentación
negativa, la velocidad es una medida de gran importancia sobre cómo
de rápido se podrán llegar a corregir los errores que
ellos mismos crean. Normalmente los parámetros de un amplificador
empeoran a medida que crece la frecuencia y también la capacidad
de corregirlo, por dos motivos: el menor factor de realimentación
(causado por la compensación en frecuencia) y el menor margen
de velocidad del que dispone el amplificador sobre la señal.
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TOPOLOGÍA.
Los amplificadores de realimentación en corriente (CFB-current
feedback), son la alternativa en ciertas aplicaciones a los tradicionales
amplificadores de realimentación en voltaje (VFB),
más correctamente llamados amplificadores operacionales, a pesar
de que éste término se use habitualmente para referirse
a los IC amplificadores. Incluso a los amplificadores CFB
integrados se les denomina comúnmente op-amp.
Sus aplicaciones son las mismas que las de un amplificador operacional,
básicamente, amplificar. Pero sus características no lo
son, y es esta la principal diferencia. Hacen lo mismo pero de distinta
manera.
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Poseen dos entradas, + y -, como los amplificadores operacionales,
y poseen una salida que amplifica la diferencia de tensión
entre + y -. La salida es una fuente de voltaje de baja impedancia,
como en los op-amp. La diferencia es que la entrada - tiene una
impedancia idealmente cero, en contraposición con la impedancia
de entrada idealmente infinita de los op-amp convencionales.
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Circuito equivalente de un amplificador CFB |
Ganancia y ancho de banda.
Este diseño permite el uso de realimentación, si
se compensa en frecuencia para la ganancia deseada. Como los op-amp.
Pero la otra diferencia es que la ganancia en lazo cerrado de
la etapa no determina en absoluto el ancho de banda, como en los
op-amp. Las únicas limitaciones están causadas por
la capacidad parásita de diversos componentes, en conjunto
con la resistencia de realimentación.
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GBP amplificador VFB |
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El ancho de banda lo delimita únicamente una resistencia,
por lo que podemos extender el ancho de banda idealmente hasta
el infinito.
En el mundo real hay restricciones, y vienen dadas por que el
valor de la impedancia de la entrada - no es cero, y su capacidad
de absorver corriente no es infinita, está limitada, depende
del buffer empleado pero no suele superar los 100 miliamperios.
Por eso no se puede elegir una resistencia de realimentación
tan baja como queramos y en algún punto habrá limitación
de ganancia.
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GBP amplificador CFB |
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En un amplificador VFB, el ancho de banda
depende de la ganancia. En un CFB, depende
de una resistencia.
Entre la entrada - y un nodo interno de suma importancia existe
una capacidad parásita (o no) que es la que compensa en
frecuencia al amplificador.
El polo dominante está formado por la resistencia de realimentación
y ese condensador. No interviene el efecto Miller, ni se corrige
a base de realimentación. Esta es la causa de que la frecuencia
"de corte" sea independiente de la ganancia.
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Ganancia y fase en un Cfb
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Ganancia y fase en un Vfb
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Esquemas.
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Ya en un nivel más electrónico, la topología
básica empleada es la mostrada a la derecha.
Se pueden observar los condensadores de compensación (Cc),
un buffer de entrada, dos espejos de corriente y un buffer de
salida. Esos son los bloques básicos. La topología
es simétrica, por lo que se cancelan los armónicos
pares. Cada buffer es el conocido buffer de ganancia unidad
con Zin infinita y Zout=0 (idealmente)
Ahora en un esquema simplificado con más elementos ideales
veremos el funcionamiento (abajo):
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La corriente causada por la diferencia de tensión
entre el nodo N1 y la salida del amplificador saldría habitualmente
de la tensión de alimentación. Pero en ese punto
hay un espejo de corriente que replica la corriente causada por
el error. Mediante una carga activa o pasiva, se transforma la
corriente en voltaje.
Como una carga activa produciría una ganancia infinita
(y eso sabemos que no es posible), se modela la ganancia máxima
como una resistencia parásita de valor habitualmente superior
a 1MOhm, pero que produce que AV0 no pueda
ser infinita..
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En lazo abierto, la ganancia es RT/RINV.
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MITOS Y REALIDAD.
Existen varios mitos que conviene desmentir primero, y algunas características
que se deben puntualizar.
Menos distorsión.
Sobre los amplificadores operacionales integrados de realimentación
en voltaje si es asi, pero no sobre la totalidad de los amplificadores
de realimentación en voltaje. La diferencia reside en la topología.
No es completamente cierto que una tenga menos distorsión que
la otra.
Los amplificadores monolíticos de VFB
no usan siempre topología supersimétrica ya que la patente
de esta técnica (propiedad de Passlabs) no se lo permite. En
los amplificadores de realimentación en corriente la topología es siempre
simétrica, dado que no estaba protegido por patente y que la
técnica supone una mejora en las cifras de distorsión
al cancelar armónicos de orden par. Un VFB
y un CFB pueden tener más o menos los
mismos números de THD bajo circunstancias semejates.
Lo que si es cierto es que como el ancho de banda no depende de la
ganancia, son mejores para mayores ganancias.
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Más ruido.
No necesariamente, de hecho el ruido de voltaje es muy semejante a
los de los amplificadores convencionales con realimentación en
voltaje. Lo que si empeora es el ruido de corriente, puede superar los
pA/rt(Hz). En todo caso esto se puede solucionar utilizando una fuente
de baja impedancia de salida, y fuera del campo integrado existen amplificadores
con buffer de entrada Jfet, que proporciona menores cifras de ruido
de corriente, pero menos precisión DC y algo más de ruido
de voltaje.
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Menos precisión DC.
Esto si es completamente cierto. La imposbilidad de crear pares complementarios
de transistores perfectamente iguales impide esta precisión DC.
En todo caso, el error inducido no es alarmante, símplemente
impide el uso de este tipo de amplificador en amplificadores de DC,
instrumentación y medida. Para señal de audio, con añadir
un servo de DC es más que suficiente, el offset de DC queda reducido
a 1mV.
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Más velocidad.
También es completamente cierto y salvo amplificadores de VFB
que usen lazos internos (o incluso etapas enteras) de realimentación
en corriente, no se puede llegar a igualar fácilmente. La realimentación
en corriente permite una rápida carga de los condensadores parásitos,
especialmente el de compensación basado en el efecto Miller,
responsable de la limitación en slew-rate.
En los amplificadores VFB la corriente de la etapa está limitada
por una fuente fija, en el momento que se le demande responderá
entregando al condensador parásito todo lo que puede dar. Esto
produce una carga con pendiente fija (a través de resistencia
es exponencial). En un amplificador CFB, esto no ocurre, existe gran
libertad para cargar y descargar ese condensador parásito principalmente
porque el buffer proporciona toda la corriente necesaria sin entrar
en ningún tipo de sobrecarga. Teóricamente no hay limitación
en slew-rate, aunque si la hay en una situación real donde las
capacidades e impedancias parásitas limitan esta velocidad. En
todo caso, se cargan a través de impedancias muy bajas, de menos
de 100 Ohm, lo que permite tasas de slew-rate de 2000V/µs en amplificadores
de señal y 200V/µs en amplificadores de potencia.
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El futuro.
Los amplificadores de CFB no son en absoluto
un experimento. Los fabricantes de amplificadores integrados (Analog
Devices y Burr-Brown principalmente) están recomendando la migración
a amplficadores CFB para aplicaciones de alta
velocidad como tratamiento de la señal de vídeo y otros
usos AC, como el audio, filtrado,... Muchos de los fabricantes de etapas
high-end también han migrado a esta topología.
El futuro de los amplificadores lineales de audio de potencia, a nivel
de mercado, pasa obligatoriamente por esta topología. Todavía
no está suficientemente extendida pero ha llegado para quedarse
y muy posiblemente para suceder a los de voltaje.
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