Los amplificadores compuestos y cómo ofrecen lo mejor de dos mundos

En muchas ocasiones se necesita un amplificador de alta ganancia, bajo ruido, alta velocidad de respuesta y amplio ancho de banda, todo al mismo tiempo. Sin embargo, no es posible implementar todos estos objetivos de diseño con todos los componentes de uso corriente. Una solución es la implementación creativa de amplificadores múltiples en forma de diseño de amplificador compuesto. Con el amplificador compuesto correcto, se puede crear un único amplificador que aproveche las mejores características de cada etapa de amplificación. A continuación, voy a enumerar algunos puntos a considerar al trabajar con un diseño de amplificador compuesto y cómo evaluar su diseño con el conjunto adecuado de herramientas de simulación de circuitos.

Entender los amplificadores compuestos.

Cada amplificador compuesto comprende al menos dos amplificadores. Su típico diagrama de circuito involucra dos amplificadores operacionales. Sin embargo, un auténtico amplificador compuesto puede incluir más de dos amplificadores, lo que resulta similar a una configuración de amplificador multietapa o en cascada, cosa que ayuda a distinguir entre cada tipo de amplificador para apreciar más fácilmente las ventajas potenciales que ofrece un amplificador compuesto.

Diagrama de circuito del amplificador compuesto

La imagen indicada a continuación muestra un ejemplo general del circuito de un amplificador compuesto. Cada amplificador en este ejemplo es un amplificador operacional implementado de la manera clásica con la que están familiarizados la mayoría de los diseñadores. Hay una realimentación compartida entre la salida y el primer amplificador A1. El segundo amplificador A2 tiene su propio bucle de realimentación además de la realimentación compartida por todo el amplificador compuesto. De esta manera, el segundo amplificador es esencialmente parte del bucle de realimentación del primer amplificador que está formado por el bucle A2 → R2 → A1.

Amplificadores multietapa vs. en Cascada vs. amplificadores Compuestos

Estos diferentes tipos de amplificadores pueden ser confundidos entre sí, y con razón. Un amplificador multietapa contiene un amplificador en cada etapa, donde cada etapa podría tener su propia topología o involucrar múltiples amplificadores (incluso un amplificador compuesto). Todos los amplificadores en cascada son amplificadores multietapa, pero lo contrario no necesariamente es así. De hecho, las terminologías “amplificador multietapa” y “amplificador en cascada” se usan algunas veces de modo indistinto.

El principal factor que distingue a estos tipos de amplificadores es el cómo las ganancias (funciones de transferencia) de cada amplificador se combinan para producir la ganancia (función de transferencia) del amplificador completo en modo lineal. Para un amplificador en cascada o amplificador multietapa, la ganancia total es el producto de las ganancias individuales de cada amplificador, asumiendo que todas las etapas de amplificación están operando en sus respectivos modos lineales. Este no resulta ser el caso en general para un amplificador compuesto. Como podemos observar en el diagrama de circuito anterior, la ganancia total depende de cómo se implementen la realimentación compartida y la realimentación de la segunda etapa. La tabla de abajo muestra un resumen de estos diferentes tipos de amplificadores y como la realimentación se manifiesta entre las diferentes etapas.

Diseño de un Amplificador compuesto

Ganancia – Ancho de Banda

Hay que entender algunos puntos básicos acerca de la construcción de un amplificador compuesto. El primero es la relación entre la ganancia global del amplificador compuesto (fijada por R1 y R2 en el diagrama de circuito anterior) y las ganancias individuales de cada amplificador. Aunque las ganancias son multiplicativas, la ganancia de A1 es (Ganancia Total/Ganancia de A2), y está fijada enteramente por la salida desde A2 y el bucle de realimentación compartido. El objetivo que se persigue al fijar la ganancia de ancho de banda es evitar que los amplificadores individuales alcancen un pico, lo que también evitará el pico de la función de transferencia compuesta. El desplazamiento (roll off) coincidirá con el de un amplificador de mayor orden (producto de las ordenes de los amplificadores individuales).

La segunda etapa

Elegir un amplificador de mayor potencia de segunda etapa, que sea más rápido que en la primera, aumentará la estabilidad del diseño en su conjunto. Como ejemplo, amplificadores similares al ADA4870 son una buena opción dado que no tienden a no verse afectados por las variaciones del producto ganancia-ancho de banda. Esto, a su vez, deja el ancho de banda del segundo amplificador independiente de la ganancia y puede ser ajustado por el valor de realimentación de las resistencias. Esta es una importante variable a ajustar a efectos de optimizar la estabilidad del circuito.

Compensación de frecuencias

Una herramienta de simulación resulta muy útil en el diseño de la compensación de frecuencias para garantizar que el diseño del amplificador no presente inestabilidades en ninguna de las etapas. El objetivo es mantener el margen de fase dentro de limites cuando se conduce una carga capacitiva. La compensación de frecuencia se aplicada normalmente con capacitores de realimentación para devolver el desfase a la entrada de la primera etapa. El análisis transitorio y el análisis del diagrama de Bode en una simulación SPICE con modelos de componentes reales revelará si el circuito del amplificador compuesto es estable.

Si está diseñando una etapa de amplificación para una placa analógica y necesita utilizar simulaciones para análisis de estabilidad del amplificador, el diseño del circuito y las herramientas de disposición de Altium Designer pueden ayudarle a optimizar su diseño para evitar oscilaciones. Puede importar modelos de simulación para componentes reales, definirlos en sus documentos de tablas de perforación y fabricación y preparar todos los demás ítems de entrega para la fabricación.

Cuando haya finalizado su diseño y desee compartir su proyecto, la plataforma de Altium 365^™ le facilitará la colaboración con otros diseñadores. No hemos hecho más que tocar la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puede consultar la página de productos para ver en más profundidad la descripción de características.