Diseño analógico del amplificador: ¿cómo hacerlo de manera efectiva cuando la ganancia varía tanto?

Una opción que no se menciona es utilizar amplificadores diferenciales empaquetados o amplificadores de instrumentación, en los que todas las resistencias internas se recortan de manera muy eficaz para lograr una alta precisión. Esto minimizó efectivamente el riesgo de resistencias no coincidentes, lo que realmente puede matar el rechazo del modo común (que a menudo es un problema mayor que las ganancias no exactas).

Si la ganancia de alta precisión es una necesidad real, un amplificador de instrumentación establece la ganancia usando solo una resistencia, y esa puede ser tan alta como esté dispuesto a pagar. Alternativamente, se puede usar una resistencia inferior y un potenciómetro para el ajuste.

Si se agrega retroalimentación negativa a un amplificador de tal manera que un amplificador de ganancia infinita tendría una ganancia de$x$, pero la ganancia real del amplificador no es infinita, sino que es$y$, es probable que la ganancia del sistema sea del orden de:

Puedes ver eso como$y$enfoques, el$1/y$el término desaparece y la ganancia es simplemente$x$. Si$y$es grande en relación con$x$, la ganancia neta no será exactamente igual a$x$, pero incluso grandes variaciones en$y$causará sólo pequeñas variaciones en la ganancia neta.

Si uno construye un amplificador con una señal de entrada adecuadamente polarizada que alimenta la base de un transistor NPN cuyo emisor está conectado a tierra a través de una resistencia y cuyo colector está conectado al riel positivo a través de otra resistencia, entonces la ganancia del "transistor ideal" sería igual a la relación de esas dos resistencias, ya que el voltaje en el emisor seguiría el voltaje en la base, y la corriente a través del colector coincidiría con la corriente a través del emisor. Si las resistencias fueran, por ejemplo, de 1K y 10K, entonces aumentar el voltaje base en 100mV haría que fluyan 100uA adicionales a través de la resistencia de 1K, lo que a su vez haría que fluyan 100uA adicionales a través de la resistencia de 10K, lo que provocaría una caída de voltios adicionales.

En la práctica, los transistores reales no se comportan como los transistores ideales, pero si las resistencias se eligen para producir una ganancia que es pequeña en relación con la beta del transistor, el efecto de la beta del transistor en el comportamiento de salida será relativamente leve.

Los amplificadores operacionales llevan este concepto más allá, mediante el uso de combinaciones en cascada de transistores para producir una ganancia inherente que es lo suficientemente alta como para que las variaciones en ella no sean un factor. Los niveles muy altos de ganancia a menudo hacen necesario que los amplificadores operacionales introduzcan alguna retroalimentación negativa interna de alta frecuencia que atenuará artificialmente la ganancia para evitar oscilaciones no deseadas; Dependiendo de los componentes particulares que se utilicen, tales limitaciones pueden caracterizarse de manera estricta o flexible, pero a menos que se utilice un amplificador operacional cerca de los límites de su rendimiento, por lo general no importarán demasiado.

Si la ganancia correcta es importante a través de PVT (variaciones de proceso, voltaje y temperatura), los amplificadores operacionales con retroalimentación negativa son críticos. No es la única solución, pero es la solución más utilizada y más fácil de entender.

Confiar en la ganancia de bucle abierto de los amplificadores operacionales, o en los diversos parámetros de los transistores, generalmente no es un buen comienzo, a menos que termine haciendo algún truco analógico o reinvente la retroalimentación negativa.

La clave para hacer que los amplificadores funcionen es la retroalimentación negativa. Como notó en su pregunta, la ganancia de bucle abierto no es un parámetro "bueno" porque varía demasiado. Sin embargo, la ganancia de lazo abierto de la mayoría de los amplificadores operacionales es demasiado alta para ser utilizable de todos modos. Por una feliz coincidencia, ambos problemas pueden resolverse con retroalimentación negativa.

En el siguiente esquema, el amplificador operacional está configurado en una configuración de inversión (lo que significa que la salida se vuelve más negativa a medida que la entrada se vuelve más positiva) con retroalimentación negativa para producir una ganancia de voltaje de 100: R2 y R5 forman un divisor de voltaje entre la salida y la entrada, y la entrada inversora del amplificador operacional se toma de la salida del divisor. Tenga en cuenta que la ganancia de este circuito depende casi exclusivamente de los valores de R2 y R5. Los valores de todos los demás componentes tienen un efecto muy pequeño en la ganancia. Si se necesita una salida positiva o más ganancia, se puede conectar una segunda etapa amplificadora inversora a la salida de la primera.

En tu pregunta dices

la ganancia es una función directa de los valores de las resistencias (¡que varían mucho!)

No estoy del todo seguro de lo que quieres decir con esto, pero creo que hay dos posibilidades:

1. Que los valores de las resistencias de retroalimentación varían y que esto afectará la ganancia del amplificador.
2. Que el valor de su resistencia de derivación actual (el transductor) variará y que esto afectará la ganancia del amplificador.

En el primer caso, no creo que diría que incluso las resistencias baratas tienen una gran variación, pero tal vez su aplicación sea diferente y necesite una estabilidad de ganancia medida en partes por millón. Si necesita una ganancia tan estable, le sugiero que lea algunas de las notas de aplicación de Jim Williams publicadas por Linear Devices (linear.com), que contienen mucha información útil sobre cómo hacer amplificadores de ganancia estable. Linear también fabrica algunos componentes (el famoso amplificador operacional LTC1052, por ejemplo) que tienen un coeficiente de temperatura y un coeficiente de tensión de alimentación muy pequeños. También hacen resistencias emparejadas (coincidiendo mejor que 25 partes por millón, dependiendo de cuánto esté dispuesto a pagar) en un chip.

En el segundo caso, creo que estás malinterpretando la red de retroalimentación negativa. Siempre que la impedancia de salida del transductor sea "mucho" menor que la impedancia de entrada del amplificador, la ganancia del amplificador no depende de la impedancia del transductor. En este caso, el amplificador tiene una impedancia de entrada de al menos 10k ohmios, y el transductor ciertamente tiene una impedancia de menos de un ohmio (tenga en cuenta que el valor de la resistencia de derivación actual no es lo mismo que la impedancia del transductor). Este factor de diferencia de 10,000 ciertamente califica como "mucho" mayor.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}