La familia de bloques de ganancia totalmente diferencial simplifica los diseños de interfaz

La familia de productos LTC1992 ofrece soluciones sencillas de amplificación o traslación de nivel para amplificar señales que son inherentemente diferenciales o que deben hacerse diferenciales.

El LTC1992 está disponible con ganancia no comprometida (base LTC1992), o en versiones de ganancia fija con resistencias en el chip ajustadas en fábrica para ahorrar espacio, a saber, el LTC1992-1, el LTC1992-2, el LTC1992-5 y el LTC1992-10, donde la ganancia nominal se indica con el sufijo del número de guión.

La figura 1 muestra una aplicación típica de ganancia de 10 en la que todos los componentes de ajuste de ganancia están incluidos en el diminuto paquete MSOP-8. El dispositivo proporciona un control del modo común de salida que funciona con total independencia del modo común de entrada de la señal aplicada. Las entradas y salidas pueden utilizarse de forma diferencial o desequilibrada, según sea necesario.

La familia LTC1992 funciona con tensiones de alimentación que van desde los 2,7V de un solo extremo hasta los ±5V y suele consumir <1mA.

El diagrama de bloques de la Figura 2 muestra la configuración general del núcleo del amplificador CMOS de entrada diferencial/salida diferencial, así como un servo de modo común de salida. Los valores de las resistencias de ganancia en el chip dependen de la versión del dispositivo, como se muestra. También se proporciona una práctica red de resistencias divisoras de tensión de 200kΩ en el chip para soportar aplicaciones en las que una fuente de potencial de alimentación intermedia (V_MID) es necesario.

El LTC1992 es fácil de usar. Cualquier diferencia de señal en las entradas (en el rango de modo común de entrada) se amplifica y se presenta como una diferencia de tensión en los pines de salida, con un producto de ancho de banda de ganancia de aproximadamente 4MHz. La ganancia diferencial, A, está definida por los valores de las resistencias :

El LTC1992 con ganancia configurable (sin sufijo de guión) permite conseguir cualquier ganancia diferencial deseada seleccionando resistencias externas, y proporciona flexibilidad para otros usos especializados. Los pequeños errores inducidos por el modo común de entrada, causados principalmente por valores de resistencia desajustados, aparecen en la salida como un error diferencial. La ventaja de utilizar las versiones del LTC1992 con resistencias de precisión en el chip, además del ahorro de espacio, es que se asegura una elevada CMRR (>55dB) sin el gasto de redes de resistencias de precisión externas.

Para ajustar el modo común (desplazamiento compartido) del par de salida, basta con proporcionar una V_OCM de control, y en la mayoría de las aplicaciones esta entrada se conecta simplemente a la V_MID pin. El servo de salida compara el valor de V_OCM con la entrada (V_+OUT + V_-OUT)/2 generada por el par de resistencias de 30k y produce una tensión de corrección que se aplica a ambas salidas sin perturbar la señal diferencial producida. Conduciendo V_OCM con V_MID proporciona automáticamente el mayor rango dinámico de salida. El servo modo común de salida proporciona un ancho de banda de aproximadamente el 50% de la ruta diferencial principal, lo que permite que la V_OCM entrada para las funciones de señalización si se desea.

La familia LTC1992 es especialmente útil para convertir desde o hacia la señalización diferencial. Los convertidores analógico-digitales (ADC) suelen estar optimizados para entradas diferenciales con una determinada tensión de entrada en modo común. El uso de un amplificador LTC1992 hace que la interfaz del ADC sea muy sencilla al utilizar la V_OCM función de control para establecer el desplazamiento necesario. En muchos casos, el potencial de escala media lo proporciona el ADC y puede vincularse directamente a la V_OCM entrada. Además, la entrada de la señal de origen puede ser diferencial o unipolar (conectando a tierra la entrada no utilizada) o tener una polaridad invertida. Un uso especialmente eficaz del LTC1992 es la situación que se muestra en la Figura 3, en la que una señal de entrada bipolar conectada a tierra necesita traducción de nivel y posiblemente ganancia para funcionar correctamente con los siguientes circuitos, y no se dispone de alimentación negativa.

No es necesario conectar ambas salidas, por lo que el LTC1992 puede tratarse como un dispositivo de un solo extremo, permitiendo que V_OCM para representar un tercer término algebraico de entrada, además del par básico de entrada diferencial. La figura 4 muestra el LTC1992-2 utilizado para el procesamiento aritmético asimétrico de tres señales de entrada discretas sin ningún componente externo. Esta capacidad es muy útil para realizar funciones sencillas de suma o traslación analógica. La familia de dispositivos LTC1992 es ideal para amplificar fuentes de señales diferenciales, como transductores acústicos o monitores de corriente de líneas eléctricas y, si es necesario, convertir el resultado a un solo lado.

Una topología de TIA diferencial tiene el potencial de proporcionar una mejora de la relación señal-ruido con respecto a una TIA desequilibrada con el mismo V/I, al eliminar el componente de modo común del ruido de entrada. La figura 5 muestra una TIA de fotodiodo con una topología totalmente diferencial. El modo común de salida se establece con V_OCM como se ha descrito anteriormente, y el modo común del fotodiodo flota en el mismo valor. Este circuito mantiene una polarización de 0 V en el fotodiodo, independientemente de la fotocorriente que fluya. Al igual que en un TIA convencional, el valor de C_F se elige para compensar el fotodiodo y otras capacitancias parásitas. El circuito de la figura 5 tiene un ancho de banda de CC a 20 kHz, con una densidad espectral de ruido de salida medida inferior al doble del ruido de las resistencias solas (1,1µV/√Hz a 20kHz).

Para una determinada tensión de modo común de entrada (V_INCM) y la tensión de modo común de salida (V_OCM), el diseñador deberá verificar que el modo de entrada común del amplificador interno (V_ICM) está dentro del rango de funcionamiento especificado de -V_S - 0,1V a +V_S - 1.3V. Con una topología de amplificador diferencial estándar con una ganancia de A, como las versiones de ganancia fija del LTC1992, se aplica la siguiente relación:

Por ejemplo, supongamos que un LTC1992 (sin sufijo) se alimenta con +5V, configurado para una ganancia de 2,5, V_OCM está relacionado con V_MID (es decir, 2,5V), y el circuito se alimenta de una fuente con una tensión de modo común de 0V. De la relación anterior,

que está dentro del rango de rendimiento de la pieza. Observa en este ejemplo que las entradas diferenciales pueden oscilar a 1V por debajo de tierra sin efectos de recorte ni necesidad de un carril negativo.

Las versiones de ganancia fija tienen una limitación de entrada adicional debido a la capacidad de polarización hacia delante de los diodos de protección de entrada ESD (mostrados en la Figura 2), que limitan la oscilación máxima de señal permitida a unos 0,3V por encima de las tensiones de alimentación (aunque el LTC1992 con ganancia configurable también incluye los diodos ESD, la conducción sólo puede producirse fuera del rango utilizable V_ICM rango). Para las entradas de un solo extremo, como las que se muestran en la figura 3, la tensión de modo común de entrada aplicada (V_INCM) es dinámico y tiene extremos que corresponden al 50% de la oscilación de entrada (V_INCM es de ±2,5V en el ejemplo de la Figura 3). El valor de V_ICM la ecuación anterior se utiliza con las dinámicas superior e inferior V_INCM para verificar la operatividad del sistema de un solo extremo.

El LTC1992 con ganancia configurable permite ampliar la capacitancia de modo común de entrada mucho más allá del rango de alimentación, seleccionando una ganancia inferior a la unidad y/o introduciendo resistencias de derivación de modo común (ver R_S en la Figura 6). El inconveniente del método de la resistencia en derivación es que las tolerancias de los componentes de R_G y R_S se amplifican aproximadamente en la ganancia del circuito, lo que provoca una reducción del rendimiento de la CMRR para una tolerancia de resistencia determinada. Para el funcionamiento de baja ganancia, es posible ampliar el modo común a más de 35V con el uso de redes de resistencias de alta precisión.

La familia de amplificadores diferenciales LTC1992 ofrece bloques de construcción fáciles de usar que proporcionan soluciones sencillas y con un mínimo de componentes para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo métodos convenientes para transformar las señales a/desde la forma diferencial, proporcionando una ganancia sin componentes o generando funciones de compensación de nivel de CC. Las versiones que incluyen resistencias de precisión en el chip ahorran espacio y costes al eliminar las costosas redes de resistencias de precisión. El LTC1992 con ganancia configurable reduce los costes al permitir que las aplicaciones de una sola alimentación admitan variaciones de la señal de entrada que superen la ventana de la tensión de alimentación sin una complejidad de diseño adicional.