Más valor de su circuito de valor absoluto: el amplificador de diferencia permite un circuito de valor absoluto de bajo consumo y alto rendimiento

Los rectificadores de precisión de media onda y onda completa se construyen tradicionalmente utilizando componentes cuidadosamente seleccionados, incluidos amplificadores operacionales de alta velocidad, diodos rápidos y resistencias de precisión. El alto número de componentes hace que esta solución sea costosa y sufre de distorsión cruzada y variación de temperatura entre los componentes.

Este artículo muestra cómo se puede configurar un amplificador diferencial de dos canales, sin componentes externos, para proporcionar una salida de valor absoluto de precisión. Este enfoque innovador puede lograr una mejor precisión, un menor costo y un menor consumo de energía que los enfoques convencionales.

Un amplificador de diferencia¹ consta de un amplificador operacional y cuatro resistencias configuradas como restador, como se muestra en la Figura 1. Con resistencias recortadas con obleas láser, los amplificadores diferenciales monolíticos de bajo costo ofrecen una precisión de ganancia muy alta, compensaciones bajas, deriva de compensación baja y alto rechazo de modo común , y un mejor rendimiento general que las alternativas discretas.

Circuito tradicional de valor absoluto

La figura 2 muestra un esquema de un circuito rectificador de onda completa de uso común. Para lograr un alto rendimiento, este diseño se basa en dos amplificadores operacionales rápidos y cinco resistencias de precisión. Cuando la señal de entrada es positiva, la salida de A1 es negativa, por lo que D1 tiene polarización inversa. D2 tiene polarización directa, cerrando el circuito de retroalimentación alrededor de A1 a través de R2 y formando un amplificador inversor. A2 suma la salida de A1 por una ganancia de −2 con la señal de entrada por una ganancia de −1, lo que deja una ganancia neta de +1. Cuando la señal de entrada es negativa, D1 tiene polarización directa, cerrando el circuito de retroalimentación alrededor de A1. D2 tiene polarización inversa y no conduce. A2 invierte la señal de entrada, dando como resultado una salida positiva. Así, la salida de A2 es un voltaje positivo que representa el valor absoluto de la entrada, ya sea positiva o negativa.

Este diseño tiene varias deficiencias inherentes al rendimiento y al sistema, incluido el costo, la distorsión cruzada, el error de ganancia y el ruido. El diseño requiere fuentes de alimentación duales y muchos componentes de alto rendimiento, lo que aumenta aún más el costo y la complejidad. El tiempo de respuesta puede ser largo porque la salida de A1 tiene que oscilar entre –V_SER a +V_SER a medida que la señal de entrada pasa de 0 V + ΔV a 0 V – ∆V. Los amplificadores operacionales y los diodos de alta velocidad pueden ayudar a mitigar este problema, pero solo a costa de una mayor disipación de energía. La precisión de ganancia de la salida de valor absoluto está determinada por la coincidencia de R1, R2, R3, R4 y R5. Se producirá un error sustancial entre los picos de valor absoluto positivo y negativo si incluso una sola resistencia no coincide por una pequeña cantidad. La ganancia de ruido general es 6, lo que amplifica los efectos del ruido, la compensación y la deriva del amplificador operacional.

Circuito de valor absoluto mejorado

La Figura 3 muestra un circuito de valor absoluto más simple y efectivo que requiere solo un AD8277⁴ amplificador diferencial de dos canales y un suministro positivo único. Cuando la señal de entrada es positiva, A1 actúa como seguidor de voltaje. Ambas entradas de A2 tienen el mismo potencial que la señal de entrada, por lo que A2 simplemente pasa la señal positiva a la salida. Cuando la señal de entrada es negativa, la salida de A1 está a 0 V y A2 invierte la señal de entrada. El resultado global es el valor absoluto de la señal de entrada. Las señales de hasta ±10 V se pueden rectificar a frecuencias de hasta 10 kHz. Si la señal a rectificar es muy pequeña, una resistencia desplegable en cada salida del amplificador operacional puede mejorar el rendimiento del circuito alrededor de 0 V.

La función de este circuito, aunque engañosamente simple, solo es posible gracias a las excepcionales características de entrada y salida del AD8277 y su capacidad para operar con un solo suministro. A diferencia de la mayoría de los amplificadores operacionales que funcionan con un solo suministro, las entradas del amplificador diferencial se pueden controlar por debajo de 0 V. Esto permite que las entradas de A1 acepten una señal de entrada negativa mientras mantienen una salida de 0 V. Los diodos ESD integrados en las entradas proporcionan una sólida protección adicional contra sobretensiones. La figura 4 muestra la forma de onda y la característica de entrada y salida con una señal de entrada de 20 V pp a 1 kHz.

Este circuito de valor absoluto mejorado supera muchas de las limitaciones del diseño de rectificador convencional y ofrece un valor inesperado. Lo más destacable es el reducido número de componentes necesarios: solo se necesita un único dispositivo. La eliminación de los diodos externos también elimina la distorsión cruzada. Las resistencias recortadas con oblea láser se combinan con precisión, lo que garantiza un error de ganancia de menos del 0,02 %. La ganancia de ruido del circuito es solo 2, lo que da como resultado un ruido más bajo y un desplazamiento y deriva más bajos. Operando con un solo suministro de 2 V a 36 V, el AD8277 consume menos de 400 μA de corriente de reposo.

Conclusión

Un rectificador de precisión de onda completa construido con un solo amplificador diferencial de doble canal ofrece varias ventajas sobre los diseños tradicionales. En particular, se elimina la necesidad de componentes externos de alto rendimiento y fuentes de alimentación dobles, lo que reduce drásticamente los costos y la complejidad. La solución de amplificador diferencial no tiene problemas de recuperación de cruce y está optimizada para una baja deriva en un amplio rango de temperatura. Usando el AD8277, se puede realizar un circuito de valor absoluto de alta precisión con bajo consumo de energía y bajo costo usando un solo IC.

Referencias

¹http://www.analog.com/en/products/amplifiers/specialty-amplifiers/difference-amplifiers.html.

²http://sound.westhost.com/appnotes/an001.htm.

³Sedra, AS y KC Smith. Circuitos Microelectrónicos. 4ª ed. Nueva York: Oxford University Press. 1998.

⁴http://www.analog.com/en/products/amplifiers/specialty-amplifiers/difference-amplifiers/ad8277.html.