Conexión en serie de amplificadores operacionales: cómo lograr precisión con una potencia de salida simultáneamente más alta

Los ingenieros se enfrentan con frecuencia al desafío de desarrollar aplicaciones para cumplir con una amplia gama de requisitos. Por lo general, estos requisitos son difíciles de cumplir simultáneamente. Un ejemplo es encontrar un amplificador operacional de alto voltaje muy rápido (amplificador operacional) con alta potencia de salida y características igualmente buenas en precisión de CC, ruido y distorsión. Los amplificadores operacionales que combinan todas estas características rara vez están disponibles en el mercado. Sin embargo, es posible construir un amplificador de este tipo a partir de dos amplificadores individuales, creando un amplificador compuesto. Al combinar dos amplificadores operacionales, se pueden incorporar las características positivas de cada uno. De esta manera, se puede lograr un mayor ancho de banda en comparación con el de un solo amplificador con la misma ganancia.

El amplificador compuesto

Un amplificador compuesto consta de una disposición de dos amplificadores individuales, a menudo con características diferentes. Tal disposición se muestra en la Figura 1. El amplificador 1 representa el amplificador de precisión de bajo ruido, ADA4091-2. El amplificador 2, en este caso el AD8397, presenta una potencia de salida alta que sirve para controlar módulos adicionales.

La configuración del amplificador compuesto que se muestra en la figura 1 es similar a la de un amplificador no inversor en el que las dos resistencias, R1 y R2, actúan externamente. Los dos amplificadores operacionales conectados en serie deben considerarse un solo amplificador. La ganancia total (G) se establece a través de la relación de resistencia, G = 1 + R1/R2. Un cambio en la relación de R3 a R4, y en efecto, la ganancia del amplificador 2 (G2), también afecta la ganancia o el nivel de salida del amplificador 1 (G1). La ganancia total efectiva no cambia con R3 y R4. Si G2 disminuye, G1 aumenta.

Extensión de ancho de banda

Otra característica de un amplificador compuesto es un mayor ancho de banda. El ancho de banda es mayor para esta combinación que para cada uno de los amplificadores individuales. Por lo tanto, si se utilizan dos amplificadores idénticos con un producto de ancho de banda de ganancia (GBWP) de 100 MHz y una ganancia de G = 1, se puede lograr un ancho de banda de -3 dB aproximadamente un 27% más alto. Al aumentar la ganancia, este efecto se vuelve aún más claro, pero solo hasta cierto límite. Una vez superado el límite, pueden surgir inestabilidades. Esto también se aplica en el caso de una distribución desigual de las dos ganancias. En general, el ancho de banda máximo se obtiene con una distribución equitativa de la ganancia entre los dos amplificadores. Con los valores mencionados anteriormente (GBWP = 100 MHz, G2 = 3,16, G = 10), se puede lograr un ancho de banda de –3 dB que es aproximadamente un 300 % más alto que el de un solo amplificador para una ganancia de 10.

La explicación es relativamente sencilla. Con una ganancia igualmente distribuida, G2 también conduce a la misma ganancia efectiva del amplificador 1. Sin embargo, la ganancia de bucle abierto de cada amplificador individual es mucho mayor. Con una ganancia reducida, por ejemplo, de 40 dB a 20 db, ambos amplificadores ahora actúan en una región más baja de la curva de bucle abierto (consulte la Figura 2). A través de esto, se produce un mayor ancho de banda con un amplificador compuesto que con un solo amplificador con la misma ganancia.

Precisión y ruido de CC

En un circuito de amplificador operacional típico, parte de la salida se retroalimenta a la entrada inversora. De esta forma, los errores de salida se pueden corregir a través de la ruta de retroalimentación para mejorar la precisión. La combinación que se muestra en la Figura 1 también ofrece una ruta de retroalimentación separada para el amplificador 2, aunque está en la ruta de retroalimentación del amplificador 1. La salida del arreglo general contiene errores más grandes debido al amplificador 2, pero se corregirán a medida que se retroalimenten al amplificador 1. Por lo tanto, se conserva la precisión del amplificador 1. El offset de salida es solo proporcional al error del primer amplificador y permanece independiente del offset del segundo.

Lo mismo se aplica al componente de ruido. También se corrige a través de la retroalimentación, por lo que las señales de CA también dependen de la reserva de ancho de banda de las dos etapas del amplificador. Siempre que la primera etapa del amplificador tenga un ancho de banda suficiente, corrige el componente de ruido del amplificador 2. Hasta este punto, la densidad de ruido de su voltaje de salida es dominante. Sin embargo, si se excede el ancho de banda del amplificador 1, el componente de ruido del segundo amplificador comienza a dominar. Surgen problemas si el ancho de banda del amplificador 1 es demasiado alto o mucho mayor que el del amplificador 2. Esto puede generar un pico de ruido adicional, que se puede ver en la salida del amplificador compuesto.

Conclusión

A través de una combinación de dos amplificadores conectados en serie, se pueden combinar las mejores características de ambos y lograr resultados que son inalcanzables con amplificadores operacionales individuales. Por ejemplo, se puede lograr un amplificador de alta precisión con una alta potencia de salida y un mayor ancho de banda. La Figura 1 muestra un ejemplo de un circuito con el amplificador de riel a riel, AD8397 (ancho de banda de –3 dB = 69 MHz) y el amplificador de precisión, ADA4091-2 (ancho de banda de –3 dB = 1,2 MHz), que en combinación tienen un ancho de banda que es más del doble del que tienen cada uno individualmente (en G = 10). Además, con la combinación del AD8397 y varios amplificadores de precisión, se pueden lograr la reducción de ruido y mejoras de THD. Sin embargo, en el diseño también se debe asegurar la estabilidad del sistema a través de una correcta configuración del amplificador. Si se consideran todos los criterios, el amplificador compuesto ofrece numerosas posibilidades para cubrir una gama de aplicaciones muy amplia y exigente.