Clipper positivo y negativo de precisión del amplificador operacional utilizando LT6015/LT6016/LT6017

Hacer coincidir el rango de tensión de una señal analógica con el rango de entrada de un convertidor analógico-digital (ADC) puede ser difícil. Exceder el rango de entrada del ADC dará lugar a una lectura incorrecta, y si la entrada excede lo suficiente los raíles de alimentación, pueden fluir corrientes de sustrato a través del ADC, lo que puede provocar un enclavamiento o incluso dañar la pieza. Sin embargo, restringir el rango de tensión de entrada a niveles más bajos y conservadores desperdicia el rango dinámico y la resolución del ADC.

El sencillo clíper del amplificador operacional que se muestra en la figura 1 evita estos problemas. La tensión de entrada máxima permitida se aplica a la entrada no inversora de U1, y la salida se devuelve a la entrada inversora a través del diodo de señal pequeña D1. La tensión de referencia del ADC se puede utilizar como referencia de recorte si está disponible. Cuando la tensión de entrada es menor que la de referencia, la salida de U1 se dirige al carril positivo y D1 se polariza en sentido inverso, de modo que la señal de entrada pasa inalterada. Cuando la entrada supera la tensión de bloqueo, la salida del amplificador operacional se invierte y cierra el bucle a través de D1, convirtiéndose en un seguidor de ganancia unitaria de la tensión de bloqueo. La resistencia de entrada R1 limita la cantidad de corriente que debe absorber la salida del amplificador operacional. El segundo amplificador operacional U2 realiza la función complementaria de bloqueo negativo, impidiendo que la señal caiga por debajo de la tierra. Así, la señal de salida está limitada a 4,096 V a 0 V de salida en este ejemplo.

Aunque es un concepto sencillo, este circuito plantea algunos retos únicos para el amplificador operacional. En primer lugar, la mayoría de los amplificadores operacionales modernos tienen diodos de respaldo en la entrada para evitar la aplicación de grandes tensiones diferenciales a las entradas, que pueden dañar la pieza o desplazar la tensión de offset de entrada. En este circuito, estos diodos impedirían que la señal de salida estuviera más de una gota de diodo por debajo de la tensión de bloqueo positiva o más de una gota de diodo por encima de la tensión de bloqueo negativa. Determinar si un determinado amplificador óptico tiene estos diodos puede requerir algo de trabajo de detective. Las hojas de datos de algunas piezas indican la presencia de los diodos de entrada, pero otras no. Otro indicio de la presencia de los diodos es la limitación de la corriente de entrada a unos pocos mA en la sección de capacidad máxima absoluta.

Además, la salida del amplificador operacional debe pasar del estado "sin enclavamiento" al estado "enclavado" lo más rápidamente posible para poder enclavar una señal que aumenta rápidamente sin un sobreimpulso potencialmente peligroso. Además, se desea que la entrada y la salida del amplificador operacional funcionen de carril a carril, para que pueda funcionar con tensiones cercanas a los límites de las fuentes de alimentación.

La familia de amplificadores operacionales LT6015, que incluye las versiones LT6016 doble y LT6017 cuádruple, resuelve estos problemas. No hay diodos en las entradas, por lo que pueden tener una tensión diferencial de ±80 V, lo que no debería suponer un límite para cualquier aplicación práctica de ADC. Además, la tensión de entrada puede estar hasta 80V por encima o 25V por debajo del carril -V, lo que permite que la pieza sobreviva a entradas que dañarían otras piezas.

El LT6015 también es único porque permite un rango de alimentación de V+ a -V de hasta 60V, lo que permite al circuito sujetar tensiones más altas que la gran mayoría de los amplificadores operacionales. También tiene una velocidad de giro de 0,75 V/µs que le permite sujetar señales ascendentes razonablemente rápidas. La tensión de offset típica, inferior a 100µV, garantiza que el nivel de sujeción sea muy preciso.

La figura 2 muestra el LT6105 accionado desde ±fuente de alimentación de 10 V que flanquea a una de 7 V_pk-pkonda sinusoidal de 1kHz a 0V y 4V. Es difícil ver la acción de sujeción, pero si amplías la salida, puedes ver un pequeño rebasamiento en la figura 3.

Al aumentar la frecuencia de entrada a 30kHz en la Figura 4, se observa claramente que la acción de sujeción se produce en menos de 10µs, lo que limita el ancho de banda operativo del circuito a unos pocos kHz. También se puede aumentar la velocidad de sujeción limitando los raíles de alimentación a tensiones cercanas a las tensiones límite de sujeción, lo que reduce el rango de tensión que la salida debe explorar para entrar en el modo de sujeción. Como la salida del LT6105 oscila muy cerca de los raíles de alimentación, se necesita poco rango de tensión adicional.

Otra limitación de este circuito es que la resistencia de salida está definida por R1, que debe ser de al menos unos cientos de ohmios para limitar la salida de corriente en la salida del amplificador óptico. Algunos ADCs necesitan ser alimentados con una resistencia baja, por lo que puede ser necesario el amplificador buffer U3. El paquete cuádruple LT6017 permitiría que una sola pieza realizara todas estas funciones.

El LT6015 se ofrece en un paquete SOT de 5 pines. El amplificador óptico doble LT6016 se ofrece en un encapsulado MSOP de 8 patillas. El LT6017 se ofrece en un paquete DFN sin plomo de 22 pines.