El amplificador de transconductancia operacional ( OTA ) es un amplificador cuyo voltaje de entrada diferencial produce una corriente de salida . Por lo tanto, es una fuente de corriente controlada por voltaje (VCCS). Por lo general, hay una entrada adicional para una corriente para controlar la transconductancia del amplificador . El OTA es similar a un amplificador operacional estándar en que tiene una etapa de entrada diferencial de alta impedancia y que puede usarse con retroalimentación negativa . [1]
Las primeras unidades de circuito integrado disponibles comercialmente fueron producidas por RCA en 1969 (antes de ser adquiridas por General Electric ), en forma de CA3080 (página de Intersil archivada), [2] y desde entonces han sido mejoradas. Aunque la mayoría de las unidades están construidas con transistores bipolares, también se producen unidades de transistores de efecto de campo. El OTA no es tan útil por sí mismo en la gran mayoría de las funciones de amplificador operacional estándar como el amplificador operacional ordinario porque su salida es una corriente. [ cita requerida ] Uno de sus usos principales es la implementación de aplicaciones controladas electrónicamente, como osciladores y filtros de frecuencia variable y etapas de amplificación de ganancia variable que son más difíciles de implementar con amplificadores operacionales estándar.
Principales diferencias con los amplificadores operacionales estándar
- Su salida de corriente contrasta con la de un amplificador operacional estándar cuya salida es un voltaje .
- Por lo general, se usa en "bucle abierto"; sin retroalimentación negativa en aplicaciones lineales. Esto es posible porque la magnitud de la resistencia adjunta a su salida controla su voltaje de salida. Por lo tanto, se puede elegir una resistencia que evite que la salida se sature , incluso con voltajes de entrada diferenciales altos.
Operación básica
En el OTA ideal, la corriente de salida es una función lineal del voltaje de entrada diferencial, calculado de la siguiente manera:
donde V in + es el voltaje en la entrada no inversora, V in− es el voltaje en la entrada inversora y g m es la transconductancia del amplificador.
El voltaje de salida del amplificador es el producto de su corriente de salida y su resistencia de carga:
La ganancia de voltaje es entonces el voltaje de salida dividido por el voltaje de entrada diferencial:
La transconductancia del amplificador generalmente se controla mediante una corriente de entrada, denominada I abc ("corriente de polarización del amplificador"). La transconductancia del amplificador es directamente proporcional a esta corriente. Esta es la característica que lo hace útil para el control electrónico de la ganancia del amplificador, etc.
Características no ideales
Al igual que con el amplificador operacional estándar, los OTA prácticos tienen algunas características no ideales. Éstas incluyen:
- No linealidad de la etapa de entrada a voltajes de entrada diferenciales más altos debido a las características de los transistores de la etapa de entrada. En los primeros dispositivos, como el CA3080, la etapa de entrada consistía en dos transistores bipolares conectados en la configuración de amplificador diferencial. Las características de transferencia de esta conexión son aproximadamente lineales para voltajes de entrada diferenciales de 20 mV o menos. [3] Esta es una limitación importante cuando se utiliza OTA en bucle abierto, ya que no hay retroalimentación negativa para linealizar la salida. A continuación se menciona un esquema para mejorar este parámetro.
- Sensibilidad a la temperatura de la transconductancia.
- Variación de la impedancia de entrada y salida, la corriente de polarización de entrada y la tensión de compensación de entrada con la corriente de control de transconductancia I abc .
Mejoras posteriores
Las versiones anteriores de la OTA no tenían ni el terminal de polarización I (que se muestra en el diagrama) ni los diodos (que se muestran junto a él). Todos se agregaron en versiones posteriores. Como se muestra en el diagrama, los ánodos de los diodos están unidos y el cátodo de uno está unido a la entrada no inversora (Vin +) y el cátodo del otro a la entrada inversora (Vin−). Los diodos están polarizados en los ánodos por una corriente ( polarización I ) que se inyecta en el terminal de polarización I. Estas adiciones aportan dos mejoras sustanciales a la OTA. Primero, cuando se usan con resistencias de entrada, los diodos distorsionan el voltaje de entrada diferencial para compensar una cantidad significativa de no linealidad de la etapa de entrada a voltajes de entrada diferenciales más altos. Según National Semiconductor, la adición de estos diodos aumenta la linealidad de la etapa de entrada en un factor de 4. Es decir, usando los diodos, el nivel de distorsión de la señal a 80 mV de entrada diferencial es el mismo que el del amplificador diferencial simple. a una entrada diferencial de 20 mV. [4] En segundo lugar, la acción de los diodos polarizados compensa gran parte de la sensibilidad a la temperatura de la transconductancia de la OTA.
Una segunda mejora es la integración de un amplificador de búfer de salida de uso opcional al chip en el que reside la OTA. En realidad, esto es una conveniencia para un diseñador de circuitos más que una mejora para la propia OTA; prescindiendo de la necesidad de emplear un tampón separado. También permite que el OTA se use como un amplificador operacional tradicional, si se desea, al convertir su corriente de salida en voltaje.
Un ejemplo de un chip que combina estas dos características es el National Semiconductor LM13600 y su sucesor, el LM13700 . [5]
Ver también
Notas
- ↑ Jung, WG, IC Op-Amp Cookbook (Howard W. Sams -Bobs Merrill Primera edición 1974) p. 440 y siguientes.
- ^ CA3080
- ^ Jung, WG, IC Array Cookbook (Hayden, 1980) p. 40-41.
- ^ Hoja de datos para LM 13700 - Gráfico de distorsión frente a voltaje de entrada diferencial (National Semiconductor, junio de 2004) p. 6.
- ^ "Amplificadores de transconductancia operacional dual LM13700 con amortiguadores y diodos de linealización" (PDF) . Instrumentos Texas. 15 de diciembre de 2015 . Consultado el 26 de enero de 2016 .