Los amplificadores operacionales JFET coinciden con los bipolares de bajo ruido y tienen un ruido de corriente similar al de los picoamplificadores

Los LT1792 y LT1793 son sencillos amplificadores operacionales JFET que ofrecen un ruido de tensión muy bajo (4nV/√Hz para el LT1792 y 6nV/√Hz para el LT1793) y un bajo ruido de corriente (10fA/√Hz para el LT1792 y 0,8fA/√Hz para el LT1793), ofreciendo el menor ruido total en un amplio rango de impedancia del transductor. Tradicionalmente, los usuarios de amplificadores operacionales se enfrentan a una elección: qué amplificador operacional tendrá el menor ruido para el transductor en cuestión. Para una impedancia de transductor alta, los op amperios JFET LT1792/LT1793 ganarán a los op amperios bipolares de bajo ruido de tensión, debido al menor ruido de corriente. El ruido de la corriente (2qIB) de un amplificador es una función de la corriente de polarización de entrada (IB). Para una impedancia de transductor más baja, los op amps bipolares suelen superar a los op amps JFET típicos debido al menor ruido de tensión para la misma corriente de cola del par de entrada diferencial. Los op amps LT1792/LT1793 están diseñados para tener un ruido de tensión que se aproxima al de los op amps bipolares. Todos estos amplificadores operacionales son incondicionalmente estables con ganancias de uno o más, incluso con cargas capacitivas de 1000pF. La baja tensión de offset de 250µV y la alta ganancia de CC de cuatro millones permiten al LT1792/LT1793 fit en aplicaciones de precisión. El producto del ruido de la tensión, la velocidad de giro y el ancho de banda de la ganancia está probado al 100%. Todas las especificaciones se mantienen en el paquete SO-8.

La combinación de baja tensión y ruido de corriente que ofrecen los LT1792/LT1793 los hace útiles en una amplia gama de aplicaciones, incluso con transductores capacitivos de alta impedancia, como hidrófonos, acelerómetros de precisión y fotodiodos. El ruido total de estos sistemas es la ganancia multiplicada por la raíz cuadrada de la suma del ruido de la tensión de referencia de entrada del amplificador óptico al cuadrado, el ruido térmico del transductor (4kTR) y el ruido de la corriente de polarización del amplificador óptico multiplicado por la resistencia del transductor al cuadrado (2qI)B × R2). La figura 1 muestra el ruido total de la tensión de entrada en función de la resistencia de la fuente. En una aplicación de baja resistencia de fuente (<5k), el ruido de tensión del amplificador óptico dominará el ruido total. En esta región de baja resistencia de la fuente, los amplificadores operacionales JFET LT1792/LT1793 están muy por delante de otros amplificadores operacionales JFET; sólo los amplificadores operacionales bipolares de muy bajo ruido, como el LT1007 y el LT1028, tienen ventaja. A medida que la resistencia de la fuente aumenta de 5k a 50k, el LT1792/LT1793 se iguala en ruido a los mejores op amps bipolares o JFET, ya que el ruido térmico del transductor (4kTR) dominará el ruido total. Un aumento adicional de la resistencia de la fuente, por encima de 50 k, nos lleva a la región en la que el ruido de la corriente del amplificador de operación (2qIB × RFUENTE) dominará el ruido total. Con estas resistencias de fuente elevadas, el LT1792/LT1793 funcionará mejor que los op amps bipolares de bajo ruido, debido al bajo ruido de corriente inherente a los op amps de entrada FET. En determinadas condiciones, puede ser necesario añadir un condensador en paralelo con una resistencia de fuente para anular el polo causado por la impedancia de fuente y la capacitancia de entrada (14pF para el LT1792 y 1,5pF para el LT1793). Observa lo que ocurre con el ruido con resistencias de fuente superiores a 100 k; el ruido global del LT1792 y del LT1793 en realidad disminuye.

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Figura 1: Comparación del ruido de la tensión de entrada del LT1792/LT1793 y del LT1007 en función de la resistencia de la fuente

El front-end JFET de alta impedancia de entrada hace que los LT1792 y LT1793 sean adecuados para aplicaciones que requieren una sensibilidad de carga muy alta. La figura 2 muestra el LT1792 y el LT1793 en funcionamiento invertido y no invertido. En el ejemplo se muestra un amplificador de carga en modo invertido; aquí la ganancia depende del principio de conservación de la carga en la entrada del amplificador. La carga a través de la capacitancia del transductor, CSse transfiere al condensador de retorno, CFesto da lugar a un cambio de tensión, dV, igual a dQ/CFel resultado es una ganancia de CF/CS. Para una ganancia unitaria, el CF debe ser igual a la capacidad del transductor más la capacidad de entrada del amplificador y RF debe ser igual a RS. En el ejemplo del modo no inversor, la corriente del transductor se convierte en un cambio de tensión por la capacitancia del transductor; esta tensión es amortiguada por el amplificador, con una ganancia de 1 + R2/R1. Una vía de corriente continua es proporcionada por RSque es la impedancia del transductor o una resistencia externa. Ya que RS suele ser varios órdenes de magnitud mayor que la combinación en paralelo de R1 y R2, RB se añade para equilibrar el desplazamiento de CC causado por la corriente de polarización de entrada no inversora y RS. Las corrientes de polarización de entrada, aunque son pequeñas a temperatura ambiente, pueden crear grandes errores al aumentar la temperatura, especialmente con resistencias de transductor de hasta 1000M o más. El valor óptimo de RB se determina igualando el ruido térmico (4kTRS) a los tiempos de ruido actuales RS(2qIB) RSque da RB = 2VT/IB (VT = kT/q = 26mV a 25°C). Un condensador paralelo, CBse utiliza para cancelar el desplazamiento de fase causado por la capacitancia de entrada del amplificador operacional y RB.

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Figura 2: Configuraciones de ganancia inversora y no inversora del LT1792/LT1793

El LT1792 tiene el menor ruido de tensión (4nV/√)Hz) de los dos, por lo que es la mejor opción para impedancias de transductor de 5k o menos. Para impedancias de transductor superiores a 100M, el LT1793, con una corriente de polarización de entrada típica de sólo 3pA, tendrá un ruido de salida menor que el LT1792. El LT1793 tiene la ventaja añadida de una resistencia de entrada muy alta (1013 ohmios). A diferencia de la mayoría de los amplificadores operacionales JFET, los LT1792 y LT1793 tienen corrientes de polarización de entrada que permanecen casi constantes en todo el rango de modo común. Las especificaciones de los LT1792 y LT1793 se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1. Especificaciones del LT1792/LT1793
ParámetroLT1792LT1793Unidades
VOS (Max)0.560.73mV
IB (Max)45010pA
eN (1kHz)4.26nV/√Hz
iN (1kHz)106fA/√Hz
GBWP (fO = 100kHz)65MHz
IS4.24.2mA

El bajo ruido de los LT1792 y LT1793 se consigue maximizando la gm del par de entrada. Los JFETs de compuerta múltiple tienen una mayor relación gm/área que los JFETs estándar de compuerta única. Esto se consigue maximizando la corriente de cola y el tamaño de las geometrías JFET de entrada. El 40% de la corriente de alimentación total se utiliza como corriente de cola para los LT1792 y LT1793. Estos amplificadores operacionales se utilizan mejor con transductores de muy alta impedancia. El amplificador de hidrófono de bajo ruido de la figura 3 es una aplicación en la que el LT1792 destaca. La salida de CA del hidrófono se convierte en una tensión mediante la resistencia de entrada de 100M (R8). Esta señal se amplifica mediante la relación R3/R2. Las corrientes de fuga de CC en la salida del hidrófono se restan por la acción servo del amplificador de retroalimentación. Este amplificador no necesita tener el bajo ruido de tensión del LT1792; por lo tanto, puede elegirse para minimizar la corriente de alimentación total del sistema. El LT1464 tiene menos de un orden de magnitud de la corriente de alimentación del LT1792 y el LT1793 y una corriente de polarización de entrada del orden de un picoamperio. Esto permite ajustar la constante de tiempo de este bucle utilizando resistencias de alto valor y condensadores de bajo valor, menos costosos.

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Figura 3. Amplificador de hidrófono de bajo ruido con servo de CC

Los amplificadores operacionales LT1792 y LT1793 son una clase propia cuando se trata de amplificar señales de bajo nivel procedentes de fuentes de alta impedancia. El diseño y el proceso se han optimizado para producir tanto un bajo consumo de energía como un bajo ruido de corriente y tensión. La mayoría de los op amps JFET de la competencia tienen un ruido de tensión más alto o una corriente de alimentación mucho mayor. Prácticamente todos los op amps bipolares tendrán un ruido de corriente más alto. Ningún otro amplificador operacional ofrece un rendimiento de ruido semejante para una corriente de alimentación determinada. Para las aplicaciones en las que el bajo ruido y la baja potencia son problemas, los LT1792 y LT1793 son la mejor opción.

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