Introducción

Los amplificadores de potencia activos construidos con amplificadores operativos (op amps) sirven como piedra angular en el diseño electrónico moderno, especialmente para aplicaciones que requieren una amplificación precisa y baja de las señales pequeñas. Aplicaciones de señales pequeñas, como interfaces de sensores, preamplificadores de audio, canales de instrumentación y receptores de comunicación, circuitos que pueden impulsar las señales de nivel de molido o microamplificación sin introducir ap

Fundamentos de la amplificación de la señal pequeña

La amplificación de la señal pequeña implica el aumento de las señales eléctricas de bajo nivel al tiempo que preserva su forma de onda y su integridad. En contraste con la operación de gran señal, donde los transistores pueden cambiar entre las regiones de corte y saturación, los circuitos de señales pequeños funcionan dentro de la región lineal de dispositivos activos.

Consideraciones básicas de diseño

Configuración de ganancia

La ganancia de un amplificador basado en op-amp es determinada por la red de retroalimentación. En una configuración no invertida, la ganancia de voltaje es 1 + (Rf / Rg), donde Rf es la resistencia de retroalimentación y Rg es la resistencia al suelo. La configuración de inversión produce una ganancia de -Rf / Rin. Para aplicaciones de señal pequeña, la topología no invertir es a menudo preferido porque ofrece valores de alta resistencia

Manejo de energía y la etapa de salida

Los amplificadores estándar de salida sólo pueden ofrecer una corriente de salida limitada (normalmente 10–50 mA) y unipolar oscilación de tensión cerca de los carriles de suministro. Para aplicaciones que requieren más de unos pocos milliamps o un mayor oscilación de tensión, una etapa de potencia externa debe ser agregada.

Coincidencia de impedancia

La máxima transmisión de potencia y la mínima pérdida de señal ocurren cuando la impedancia de origen, la impedancia de entrada del amplificador, y la impedancia de carga son adecuadamente igualadas. Los insumos de optimización de potencia de alta potencia (megohms), lo que hace que sean ideales para interfacing con fuentes de señal de alta potencia como sensores piezoeléctricos o micrófonos electretos.

Tasa de ancho de banda y de mordedura

El ancho de banda de señal pequeño es limitado principalmente por el producto de ganancia de op amp (GBW). Para una ganancia de flujo cerrado, el ancho de banda de dB es aproximadamente GBW dividido por el aumento de ruido. La velocidad de flujo determina la velocidad máxima de cambio de tensión de salida; la tasa de flujo insuficiente causa distorsión de los bordes rápidos.

Estabilidad e indemnización

Los amplificadores de potencia activa deben permanecer estables bajo todas las condiciones de funcionamiento, especialmente cuando se conducen cargas capacitivas (como cables largos) o cuando la red de comentarios introduce la reducción de fase. La mayoría de los amplificadores de operaciones modernos se compensan internamente por la estabilidad de la unidad, pero la compensación externa puede ser necesaria cuando la ganancia de cierre es baja o cuando se conducen cargas capacitivas pesadas.

Seleccionar el amplificador operativo adecuado

Parámetros clave

Elegir el amplificador de la operación correcta es crítico para el rendimiento del amplificador de la potencia de la señal pequeña.

  • ] Producto de ancho de banda (GBW): Determina el ancho de banda máximo cerrado a una ganancia determinada. Para señales pequeñas de audio, una GBW de 1 a 10 MHz es típico; para aplicaciones ultrasónicas o de vídeo, 100 MHz o más pueden ser requeridos.
  • Tamaño de flujo: Para los cálculos de ancho de banda de gran potencia, asegúrese de que la velocidad de corte puede manejar el oscilación de tensión de salida máxima esperado a la frecuencia más alta.
  • ] Noise de tensión de entrada: Los amplificadores de onda baja (por ejemplo, LME49720, OPA1611) tienen densidades de ruido inferiores a 1 nV/√Hz y son esenciales para las señales de nivel milivolt de sensores o micrófonos.
  • Capacidad actual de salida: Si no se utiliza una etapa de potencia externa, el amplificador de operaciones debe suministrar la corriente de carga completa. Muchos amplificadores de audio pueden entregar 20–50 mA, pero para las corrientes superiores, es necesario una etapa de impulsor.
  • Profundidad de tensión: La tensión de suministro de la op amp debe adaptarse al oscilación de salida deseado. Los suministros de división (por ejemplo, ±15 V) son comunes en pequeños circuitos de señal para manejar señales bipolar sin dc offset.
  • Input Offset Voltage and Bias Current: Los sesgos bajos de compensación y bajos son cruciales para la amplificación de precisión. Para fuentes de alto impacto (por ejemplo, fotodiodos), se prefieren los amplificadores de entrada FET con corriente de sesgo de picoamp.

Muchos fabricantes proporcionan guías de selección integrales y notas de aplicación. Por ejemplo, la nota de aplicación “Op Amps for All” de Texas Instruments (referencia [1]) y Analog Devices “Small Signal Amplifier Design” [2] son excelentes recursos.

Circuito práctico Arquitecturas

Seguimiento de tensión con salida empotrada

El amplificador de potencia activo más simple para pequeñas señales es un seguidor de tensión (buffer) que proporciona ganancia de unidad pero impedancia de entrada alta y baja impedancia de salida. Para aumentar la unidad actual, un transistor NPN (Q1) se coloca en la salida de la amplificación de salida en una configuración común-coleccionista. La salida de la amplificación de la salida del amplificador de la base Q1, y el emisor ofrece el quilate de carga

Amplificador no invertido con la etapa de empuje

Para obtener ganancias mayores que la unidad, combina una configuración de op no invertir con una salida de push-pull de Clase AB. La salida de op amp sesgos las bases de un par complementario a través de dos diodos de sesgo (o un multiplicador Vbe). La ganancia total de cierre permanece determinada por la red de retroalimentación de la op, mientras que la etapa push-pull proporciona alta corriente.

Ingreso diferencial para señales equilibradas

Muchas pequeñas fuentes de señal son inherentemente equilibradas (por ejemplo, micrófonos XLR, sensores de pareado retorcido). Un amplificador diferencial usando un amplificador de op proporciona rechazo de modo común, rechazando el ruido recogido en ambas líneas. La ganancia se establece por la relación de la resistencia de retroalimentación con el resistor de entrada (por cada mitad).

Técnicas de diseño avanzado

Red de Diseño

Más allá de la simple retroalimentación resistiva, la red de retroalimentación puede incluir condensadores para dar forma a la respuesta de frecuencia o para implementar filtros activos. Para amplificadores de señal pequeña, un pequeño condensador en paralelo con la resistencia de retroalimentación crea un filtro de baja velocidad que atenua el ruido de alta frecuencia. La frecuencia de corte es f c = 1/(2π Rf C).

Gestión térmica

Incluso los amplificadores de señal pequeña pueden sobrecalentarse si la etapa de salida disipa potencia significativa. El parcialismo en la operación Clase AB produce un consumo de energía constante, que, combinado con la potencia de carga, eleva las temperaturas de unión. Los heatsinks deben ser tamaños para mantener la temperatura de unión de salida por debajo de la calificación del fabricante (normalmente 150°C).

Circuitos de protección

Los amplificadores de señal pequeños son vulnerables a la descarga de excesos, sobrevoltaje y electrostática (ESD). Las protecciones simples incluyen resistores de salida de serie (actualización limitada), diodos de sujeción a los carriles de suministro (transiores de desplazamientos de carga), y diodos de Zener para limitar el voltaje a través de entradas de óptica sensible.

Pruebas y optimización

Pruebas de señales pequeñas

Antes de conectar una carga de energía, prueba el amplificador con una onda sine de bajo nivel de un generador de señal. Use un osciloscopio para observar la forma de onda de salida; busque signos de distorsión (clipping, artefactos cruzados) y mida el beneficio. Verifique que el ancho de banda coincide con los cálculos de diseño al barrer la frecuencia de entrada.

Pruebas de carga

Después de verificar la linealidad con pequeñas señales, conectar la carga prevista (por ejemplo, un altavoz de 8 Ω o un cable de 50 Ω). Supervisar el oscilación de tensión y el cajón de corriente. Medir la temperatura de los transistores de salida con una cámara térmica o termopar. Si el dispositivo se sobrecalienta, reducir el sesgo quiescente o aumentar el hundimiento de calor.

Medición de ruido

Amplificadores de señal pequeños a menudo operan en entornos ruidosos. Para medir el suelo de ruido de salida, acortar la entrada al suelo (a través de un resistor igual al impedancia de origen) y medir el voltaje de salida rms con un voltímetro de ac o un osciloscopio. Compare el resultado con el ruido estimado de la hoja de datos de analógica de analógica de plano, considere agregar un filtro de bajo rendimiento

Conclusión

Diseñar circuitos de amplificadores de potencia activos con amplificadores operativos para aplicaciones de señales pequeñas es un proceso de recompensa que combina teoría analógica fundamental con ingeniería práctica. Al seleccionar cuidadosamente la red de retroalimentación, configurar una etapa de salida adecuada y abordar los requisitos de estabilidad, térmica y protección, los ingenieros pueden crear amplificadores que ofrezcan una amplificación de potencia limpia y de baja distancia para una amplia variedad de sistemas.

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Referencias

  1. Texas Instruments, “Op Amps for All”, 4th Edition, 2018. https://www.ti.com/lit/an/slod006b/slod006b.pdf
  2. Analog Devices, “Small Signal Amplifier Design”, Nota de la Aplicación AN-1020. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-1020.pdf
  3. ON Semiconductor, “A Simple Audio Amplifier using Op Amps and Transistors”, Nota de Aplicación AND8023. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8023-D.PDF]