El papel de la retroalimentación en el diseño de circuitos analógicos

La retroalimentación negativa es un principio fundamental que distingue amplificadores prácticos de las etapas de ganancia cruda. Al operar con una ganancia abierta para la previsibilidad, los ingenieros pueden alcanzar niveles de linealidad, estabilidad y precisión que de otro modo son imposibles con dispositivos semiconductores solos. La implementación de la retroalimentación se divide en dos categorías distintas: la retroalimentación local aplicada alrededor de un solo transistor o etapa, y la retroalimentación global aplicada alrededor de la cadena interconductor.

Las matemáticas básicas de la retroalimentación negativa

Comprender los beneficios de la retroalimentación local y global comienza con la ecuación de retroalimentación fundamental. Para un sistema con ganancia abierta A ol y factor de retroalimentación β, el beneficio de cierre cerrado A cl se expresa como:

A cl = A ol / (1 + βA ol)

El término βA ol es el beneficio de bucle T. Cuando el beneficio de bucle es grande, el beneficio de cierre se acerca 1/β, convirtiéndose en mayormente independiente de las características transistor y las variaciones de fabricación. Ganancia de bucle también rige la desensibilidad del amplificador: cambios fraccionados en el beneficio de apertura se reducen por un factor de 1 + T.

Comentarios locales: Diseño de nivel-de paso

Emitter and Source Degeneration

La forma más utilizada de la retroalimentación local es la degeneración, donde se coloca un resistor en el emisor de un transistor de unión bipolar o la fuente de un transistor de efecto de campo. Esta topología de retroalimentación de serie muestra la corriente de salida y alimenta un voltaje proporcional a ella. La transconductancia efectiva Gm eff se convierte en aproximadamente 1/R E, reemplazando la técnica de carga lineal o transductora

Las configuraciones de Cascode representan otra forma de retroalimentación local. Al colocar un transistor de base común por encima del dispositivo de ganancia, el casco reduce el efecto Miller y mejora el aislamiento de alta frecuencia. El transistor de base común actúa como un buffer actual con retroalimentación local inherente que estabiliza el voltaje del recolector de ganancia, reduciendo la distorsión y mejorando el ancho de banda.

Ventajas de la retroalimentación local

  • Mejorada la linealidad de la etapa: La retroalimentación local linealiza la característica de transferencia de los transistores individuales. Esto evita la generación armónica en la fuente, que es especialmente importante en las etapas de entrada donde el ruido y la linealidad son críticos, y en las etapas de salida donde se producen oscilaciones de gran tensión.
  • Extensión de ancho:] La retroalimentación local reduce la ganancia de una etapa pero empuja su polo dominante a una frecuencia mayor. Mientras que el producto de ancho de banda de ganancia permanece aproximadamente constante, la frecuencia de polos más alta hace que el escenario sea más fácil de estabilizar cuando se aplica la retroalimentación global más adelante. Esta técnica es fundamental para el diseño de amplificador de banda ancha.
  • Robustibilidad a las variaciones de PVT:] La ganancia abierta varía ampliamente con proceso, tensión y temperatura. Un transistor puede tener una beta que varía según un factor de tres a través de los lotes de producción. La retroalimentación local desensibiliza el aumento de escenario a estas variaciones. Una etapa amplificadora con 1 por ciento resistores tendrá un aumento exacto a aproximadamente 1 por ciento de variación, o más.
  • Stability Isolation: Los bucles de retroalimentación local se autocontienen y no interactúan con otras etapas para crear polos complejos de baja frecuencia. Esto hace que el diseño amplificador sea modular y predecible. Cada etapa puede ser optimizada independientemente sin preocuparse por la estabilidad global en esta etapa del proceso de diseño.

Retrocesos de la retroalimentación local

Para lograr una ganancia de apertura determinada, se requieren más etapas, consumiendo potencia adicional y área de la muerte. Las redes de retroalimentación local de resistencia contribuyen al ruido térmico, lo que puede degradar la cifra de ruido de amplificadores de baja altura. La degeneración inductiva evita esta penalización del ruido, pero es sólo práctico en frecuencias RF donde los tamaños de los ductores son manejables.

Retroalimentación mundial: Precisión de nivel de sistema

Paradigma de amplificador operativo

La retroalimentación global es el principio definitorio del amplificador operativo. Al abrir el bucle, el op-amp proporciona un enorme beneficio. Al cerrar el bucle con una red de retroalimentación específica, el ingeniero crea un amplificador de precisión con ganancia fijado por componentes externos.El poder único de la retroalimentación global reside en su capacidad de suprimir errores generados dentro del bucle amplificador.

Mecanismos de eliminación de la distorsión

La distorsión armónica total se reduce por un factor igual al aumento de la velocidad en las frecuencias armónicas. Para un amplificador de audio bien diseñado con 60 dB de ganancia de bucle a 1 kHz, los componentes de distorsión armónica se reducen por un factor de 1000. Esto permite amplificadores prácticos para alcanzar las cifras de THD inferiores a 0.001 por ciento. La reducción de la distorsión de salida se aplica a todas las etapas de tensión dentro del bucleo de retroalimentación, incluyendo distorsión cruzada.

La retroalimentación global también suprime el rechazo de la fuente de alimentación. Las variaciones en los raíles de alimentación aparecen como señales de error en la salida, y el bucle de retroalimentación impulsa activamente la salida para cancelar estas variaciones. Esto proporciona una excelente relación de rechazo de la fuente de alimentación en todo el ancho de banda donde la ganancia de bucle es alta.

Transformación de la fuerza

La retroalimentación global puede transformar las impedancias de entrada y salida de manera predecible. La retroalimentación de la serie aumenta la impedancia de entrada, lo que es deseable para aplicaciones de sensor de tensión. La retroalimentación de la inclinación disminuye la impedancia de entrada, creando un terreno virtual adecuado para convertidores de corriente.

El desafío de estabilidad

La estabilidad de la retroalimentación global se rige por la magnitud y fase de ganancia de bucle como función de frecuencia. Un amplificador multietapa contiene múltiples polos. Como la ganancia de bucle se acumula, el cambio de fase. Si el cambio de fase alcanza 180 grados mientras que la ganancia de bucle está por encima de la unidad, el amplificador oscilará. Los ingenieros utilizan parcelas de Bode para analizar la tasa de cierre.

La compensación de frecuencias es necesaria para modificar la respuesta de apertura y garantizar la estabilidad. La compensación de polos dominantes reduce el ancho de banda del amplificador empujando el primer polo a una baja frecuencia. Miller compensación utiliza el efecto Miller para crear un efecto de multiplicación de polos, empujando el polo dominante más bajo y el segundo polo más alto. Estas técnicas intercambian ancho de banda para la estabilidad, y el condensador de compensación es a menudo el mayor componente en el amplificador.

Análisis comparativo: Retroalimentación global del Versus Local

La linealidad y la distorsión en el contexto

La retroalimentación global se destaca en reducir la distorsión armónica de baja frecuencia en todo el amplificador. Si lograr el THD desaparecido en frecuencias de audio es el objetivo, la retroalimentación global proporciona el beneficio de bucle necesario para suprimir armónicos. Sin embargo, la retroalimentación global se vuelve menos eficaz en las frecuencias altas donde el beneficio de bucles evita que la distorsión de alta frecuencia se genere en el error avanzado

La distorsión de intermodulación transitoria es un artefacto conocido de retroalimentación global excesiva. Cuando la señal de entrada contiene transitorios rápidos, la salida amplificador no puede seguir instantáneamente debido a la velocidad de rocío limitada del condensador de compensación. Durante este tiempo, el bucle de retroalimentación presenta una gran señal de error a la etapa de entrada, que puede saturar y crear distorsión.

Tasa de ancho de banda y de mordedura

La retroalimentación global reduce el ancho de banda pequeño para un ajuste de ganancia dado. Un amplificador de retroalimentación de voltaje tiene un producto de ganancia constante. Si el aumento de la velocidad cerrada se incrementa por un factor de diez, el ancho de banda disminuye por un factor de diez. La retroalimentación local puede lograr mayores anchos de banda reduciendo el impedancia en los nodos sensibles, empujando los polos a las frecuencias superiores.

La tasa de Slew, el ancho de banda grande, está limitada por la corriente de sesgo disponible para cargar el condensador de compensación en un amplificador globalmente compensado. La retroalimentación local no impone esta limitación. Los amplificadores de retroalimentación actuales utilizan la retroalimentación local a la entrada para lograr tasas de rocío muy altas independientes de ganancia.

Rendimiento de ruido

Una concepción errónea común es que la retroalimentación global reduce el ruido. La retroalimentación global no puede reducir el voltaje de ruido de entrada del amplificador. Simplemente reduce la ganancia. Para una señal dada, la relación de señal a ruido en la salida se determina por el ruido de la etapa de entrada. La retroalimentación local mediante resistores añade ruido térmico.

Dominios de aplicación

El dominio de la aplicación dicta fuertemente la estrategia de retroalimentación. En audio, los ingenieros priorizan el rendimiento desaparecido en la banda de audio. Ganancia de bucle a 20 kHz está limitada por el producto de ganancia de ancho del amplificador. Los diseñadores de audio a menudo utilizan múltiples etapas de ganancia con retroalimentación global moderada y alta linealidad de apertura.

Híbridas Arquitecturas de retroalimentación

Ámbitos de retroalimentación anidados

Los amplificadores más prácticos utilizan estrategias de retroalimentación anidadas. Los bucles internos proporcionan optimización local de la linealidad, ancho de banda y sesgo. El bucle exterior proporciona precisión a nivel de sistema de la precisión de ganancia y la supresión de distorsiones. Un amplificador operativo estándar de tres etapas tiene retroalimentación local en la etapa de salida para establecer la impedancia de corriente y salida quiescente, combinado con un bucle de retroalimentación residual de salida de salida de la salida de la salida posterioridad.

Estrategia de diseño para sistemas robustos

El enfoque de diseño más robusto es construir un núcleo de apertura fuerte utilizando la retroalimentación local antes de cerrar el bucle global. Cada etapa debe ser hecha como lineal y bien-configurado como sea posible. Un amplificador de audio de alto rendimiento utiliza una etapa de entrada casco con carga de espejo actual, una etapa amplificador de tensión cuidadosamente sesgada con compensación local Miller, y una etapa de salida triple Darlington con retroalimentación local para controlar la distorsión transversal correcta.

Consideraciones prácticas de diseño

Técnicas de compensación

Los diseñadores deben considerar la interacción entre la retroalimentación local y global al compensar el amplificador. La retroalimentación local empuja los polos internos a las frecuencias superiores, facilitando la estabilización del circuito global. La compensación de Miller alrededor de una etapa de ganancia crea retroalimentación local a altas frecuencias, reduciendo el beneficio de esa etapa en altas frecuencias y simplificando la compensación global.

Efectos parasitarios

Las capacitancias y las inductancias parasitarias crean caminos de retroalimentación locales involuntarios que pueden causar oscilación. La capacitancia colectora-a-base de un transistor bipolar proporciona retroalimentación local que puede crear resistencia negativa en la entrada, lo que conduce a la inestabilidad. Técnicas de diseño como blindaje, planos de tierra y descoupling adecuado son esenciales para controlar la retroalimentación parasiva.

Conclusión: Simbiosis en Diseño Amplificador

La retroalimentación local no es una filosofía de competencia, sino herramientas de diseño complementario. La retroalimentación local proporciona la base de un amplificador de retroalimentación predecible, lineal y robusto. Gestiona el rendimiento de nivel de etapa y asegura que los bloques de construcción estén bien adaptados antes de que se cierre el circuito global.