¿Cómo compensa la resistencia de compensación en un amplificador inversor la corriente de polarización de entrada?

Ejemplo de descripción esquemática y conductual bipolar

Veamos el LM324. Es un opamp bipolar y también es mucho más fácil de seguir que algunos. Pero sigue siendo bastante representativo de las ideas básicas relacionadas con su pregunta:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Usted preguntó si el par diferencial es NPN o PNP. En este caso, es PNP. Utiliza un arreglo Darlington PNP, más específicamente, con cuatro transistores;$Q_1\to Q_4$. La fuente actual,$I_1$, se divide nominalmente en partes iguales entre las dos corrientes de cola (los colectores de$Q_2$y$Q_3$, específicamente). Entonces, si las entradas son de igual voltaje, esperaríamos que hubiera$3\:\mu\text{A}$en cada cola.

Las corrientes de cola son conducidas a un espejo de corriente, formado por$Q_8$y$Q_9$, lo que significa que cualquier diferencia de corriente será impulsada hacia afuera o absorbida hacia adentro a través del camino hacia la base de$Q_{10}$. Si la entrada (-) es más baja que la entrada (+), entonces se atrae más corriente hacia la cola izquierda y menos corriente hacia la cola derecha. Las secciones de par diferencial y espejo de corriente responden a esto hundiendo la diferencia como corriente base a través de$Q_{10}$. Esta es una operación de muy alta ganancia y da como resultado$Q_{10}$tirando de su emisor más cerca de su colector (que está en el suelo). Eso tira hacia abajo en$Q_{11}$y por lo tanto también$Q_{12}$, causando$Q_{12}$liberar un poco a su colector, permitiendo que las bases de$Q_5$y$Q_{13}$para subir hacia arriba.$Q_5$absorberá la corriente de$I_3$para que el par de Darlington$Q_5$y$Q_6$tirarán de sus emisores más alto, elevando así$V_\text{OUT}$.

El efecto general de esto es que cuando la entrada (+) aumenta con respecto a la entrada (-), la salida aumenta en respuesta. Que es exactamente la respuesta deseada.

Hay hasta aproximadamente$100\:\mu\text{A}$disponible en$I_3$, de los cuales alrededor de la mitad o$50\:\mu\text{A}$, se hunde a través de$I_4$. Así que habrá como máximo sobre$50\:\mu\text{A}$disponible en la base de$Q_5$. Dado el peor de los casos habitual$\beta$estimaciones, digamos$\beta=40$más o menos, esto sugiere quizás una capacidad máxima de abastecimiento de$40^2\cdot 50\:\mu\text{A}\approx 80\:\text{mA}$. La especificación dice que es al menos$20\:\text{mA}$y típicamente$40\:\text{mA}$, sin señalar un máximo, lo cual creo que está bien razonado en cuanto a especificaciones van.

Se requiere cierta corriente de recombinación básica para$Q_1$y$Q_4$. Es modesto, porque$I_1$no es una gran corriente. Entonces, nominalmente, solo$3\:\mu\text{A}$está fluyendo en cada cola. Dada la disposición de Darlington, las corrientes de base serán del orden de$1600\times$más pequeño (aunque podemos sugerir tan poco como$400\times$menor como un límite conservador.) A partir de esto, podríamos sugerir en el peor de los casos, corrientes de base de aproximadamente$10\:\text{nA}$. La hoja de especificaciones dice que los peores casos son un poco más. Pero no mucho más. La razón de esto es que quieren lidiar con casos donde las diferencias de voltaje son algo mayores de lo normal, donde un lado o el otro se mueven hacia el modo de saturación. Así que esto también es perfectamente razonable.

Hay una barra lateral digna de mención . Desde$Q_{12}$El emisor está en tierra, la base de$Q_{11}$se trata de dos$V_\text{BE}$está por encima del suelo. Eso significa que la base de$Q_{10}$se trata de uno$V_\text{BE}$por encima del suelo Eso significa que el coleccionista de$Q_{9}$está en el mismo lugar que el colector de$Q_{8}$. Y esto ayuda a anular el efecto Early que, de lo contrario, podría ser un problema en$Q_{10}$. Otra buena decisión de diseño en este circuito. ($C_\text{C}$es una capacitancia de Miller dispuesta para establecer una posición de polo dominante . Más allá del alcance aquí.)

Todo esto son solo algunos conceptos de circuitos muy básicos y debe asegurarse, en su propia mente, de que todo esto tiene sentido.

Corrientes base de$Q_1$y$Q_4$

Así que ahora estamos aquí. Todo lo que tiene que hacer es darse cuenta de que desde los circuitos debe haber al menos algunas pequeñas corrientes de base en$Q_1$y$Q_4$que están hundidos externamente hacia el suelo. Si atas una de las bases a tierra con un$10\:\text{k}\Omega$resistencia y la otra entrada a tierra con un$100\:\text{k}\Omega$resistencia, entonces debe darse cuenta de que habrá una corriente de polarización necesaria similar para que los BJT de par diferencial puedan permanecer en modo activo (donde deben estar).

Nominalmente, en este caso, con las corrientes de base casi iguales pero donde esas corrientes deben hundirse a través de resistencias con valores que son diferentes en un orden de magnitud, debe darse el caso de que haya una pequeña diferencia de voltaje en las bases de$Q_1$y$Q_4$. Dado que los emisores de$Q_2$y$Q_3$están unidos, esto significará que la diferencia de voltaje resulta en una diferencia exponencial en las corrientes del colector. Y eso se traducirá en un voltaje de salida que se compensa del nominal por una ganancia de transimpedancia bastante alta. La retroalimentación puede ayudar a corregir ese error, por supuesto. Pero es un problema evitable. Así que deberías evitarlo.

En resumen, cada amplificador operacional tiene un amplificador diferencial en la entrada.

Por lo tanto, cada transistor necesita una corriente "base" (corriente de polarización de entrada) para fluir y funcionar como amplificador.

Entonces, por ejemplo, en el amplificador inversor (cuando$V_{IN} = 0V$), esta corriente de polarización de entrada provocará una caída de voltaje en la resistencia y esta caída será amplificada por la ganancia del amplificador. Por lo tanto, tenemos una compensación de voltaje de CC no deseada en la salida.

Pero podemos eliminar esta compensación de CC si logramos llevar la diferencia de voltaje entre las entradas a$V_{+} - V_{-} = 0V$

Podemos hacer esto si elegimos$R_3$valor de la resistencia para que$R_3 = R1||R_2$

Es difícil entender esta idea simple debido a la extraña técnica de sesgo utilizada en las etapas diferenciales de entrada de los amplificadores operacionales. Mientras que la polarización clásica está del lado de la entrada (base) , aquí la polarización se implementa del lado de la salida (emisores) . Este es otro tema, pero aún hay que mencionar que este truco es posible aquí ya que el voltaje del nodo común entre los emisores unidos se fija en el modo diferencial (no podemos usarlo en la etapa de emisor común único ya que el voltaje del emisor seguirá el voltaje base y no habrá amplificación).

Entonces, la fuente de corriente constante de polarización hace que los transistores ajusten su voltaje de emisor común para pasar la corriente de emisor de polarización 1/2. Para ello, ajustan su beta por corrientes de base más pequeñas que son producidas por la misma fuente de corriente de emisor.

Pero estas corrientes de polarización de entrada tienen que ir a alguna parte. Y los diseñadores han elegido una solución inusual: pasar corrientes a través de las fuentes de voltaje de entrada . Para ello, tienen que ser "galvánicos" (conductores); si no lo son, deben derivarse con elementos de (alta) resistencia para asegurar un camino para la corriente de polarización.

Entonces, esta es la situación: las corrientes de polarización de entrada fluyen a través de las fuentes de voltaje de entrada y sus resistencias internas . Si hay resistencias adicionales en serie (como en el caso), las corrientes de polarización también fluirán a través de ellas. Puede ver esto en el par diferencial más simple (en principio, esta es la misma configuración). Consideremos primero el caso con fuentes de voltaje de entrada iguales pero sin resistencias base incluidas (Fig. 1):

Fig. 1. El par diferencial más simple con resistencia de emisor y sin resistencias de base incluidas (este no es el diagrama de circuito más hermoso del mundo... pero aún funciona :)

Las corrientes de base de polarización Ib1 e Ib2 están representadas en la Fig. 1 por bucles delgados en azul. Como puede ver, son creados por la fuente de alimentación negativa -V. Las corrientes fluyen a través de Re y Vin y entran en las bases (Re se reemplaza en la etapa del amplificador operacional por el complejo circuito desplegable).

Consideremos, por ejemplo, la corriente Ib2. Tenga en cuenta que Vin2 y -V están conectados en serie. Entonces, cuando Vin2 es positivo, se suma a -V y el voltaje resultante (-V + Vin2) crea Ib2; cuando Vin2 es negativo, se resta de -V y el voltaje resultante (-V - Vin2) crea Ib2. Entonces, Ib2 siempre está entrando en la base cuando Vin2 varía entre -V y +V. Su magnitud es casi constante en la etapa del amplificador operacional porque Re se reemplaza por un elemento de corriente constante (transistor) con un buen "voltaje de cumplimiento".

Como resultado, las corrientes de polarización "crean", de acuerdo con la ley de Ohm V = IR, caídas de voltaje a través de las resistencias. Son constantes ya que tanto la corriente como la resistencia son constantes. Entonces, podemos pensar en estas resistencias como "baterías" con voltaje constante que están conectadas en serie a los voltajes de entrada variables. Dependiendo de la polaridad, estos voltajes se sumarán o restarán a/de los voltajes de entrada; por lo tanto, "cambian" los voltajes de entrada variables con un valor constante pequeño .

Consideremos ahora el caso con voltajes de entrada cero, pero uno de ellos "ideal" y el otro real. Por ejemplo, la entrada izquierda (base T1) está conectada a tierra directamente y la entrada derecha (base T2) está conectada a tierra a través de una resistencia RB:

Fig. 2. Par diferencial con disipador de corriente de emisor y resistencia de base RB2 incluidos

He explicado esta disposición conceptual en una pregunta similar: ¿ por qué se agrega la caída de voltaje creada por una fuente de corriente?

Fig. 3: Diagrama de circuito conceptual para un amplificador operacional con transistores pnp de entrada (LM 324)

Fig. 4: Diagrama de circuito conceptual para un amplificador operacional con transistores npn de entrada (LM 741)

Podemos ajustar el voltaje "producido" por estas "baterías" cambiando la resistencia (no podemos cambiar la corriente ya que la establece la fuente de corriente de polarización interna en los emisores).

En el circuito del OP, I- crea una caída de voltaje en R1||R2 que se agrega a Vin-. Para compensarlo, tenemos que agregar la misma caída de voltaje a Vin+; entonces incluimos una resistencia R3 con el mismo valor (R1||R2) en serie con Vin+.

Entonces, este es un arreglo eléctrico simple de dos fuentes (voltaje y corriente) y una resistencia donde la combinación de la fuente de corriente y la resistencia puede considerarse como otra fuente de voltaje constante en serie con la fuente de voltaje de entrada variable .

Esta solución de circuito se utiliza en estructuras internas de amplificadores operacionales (p. ej., en el 709 de Widlar) para "cambiar" las variaciones de voltaje en la salida de las etapas de entrada.