ganancia, ancho de banda y GBWP del convertidor de corriente a voltaje con amplificador operacional

El GBWP para la configuración se mantiene constante. Esto significa que reducir la amplificación de bucle abierto de baja frecuencia mediante retroalimentación negativa aumenta el ancho de banda en el mismo factor (suponiendo que su configuración de bucle abierto tenga un solo polo, lo que significa una tasa de ganancia de cierre de 6dB/octava). Tenga cuidado con la unión adecuada, no puede simplemente dividir el ancho de banda por el valor de resistencia y aún así tener ancho de banda.

Para calcular la ganancia de bucle cerrado, necesitará ambos valores de resistencia, como usted mismo indicó. Supongamos que la ganancia de bucle abierto es 10^6, entonces habrá un polo a 10 Hz (GBWP = 10 Hz * 10^6 = 10 Mhz). Reducir la ganancia a, por ejemplo, 100 cambia el polo a 100 kHz. (100 kHz * 100 = 10 MHz).

En su transactor de corriente a voltaje, parece que solo hay una resistencia. Sin embargo, hay otra, la impedancia de salida de su fuente de entrada. Ambas resistencias determinan la amplificación de voltaje (A = - Rsource / R). Entonces, en efecto, el ancho de banda depende de su fuente de entrada.

También tenga en cuenta que el producto de ganancia de ancho de banda requiere la noción de ganancia unitaria. ¿Y cómo define exactamente la ganancia unitaria de un transactor de corriente a voltaje?

Casi universalmente, los amplificadores operacionales se compensan internamente con un polo de baja frecuencia. Esto significa que después de una frecuencia muy baja (alrededor de 1 Hz), la ganancia de bucle abierto caerá 20 dB por década de frecuencia. La frecuencia donde la ganancia de bucle abierto cruza la unidad es el producto de ancho de banda de ganancia (GBWP). Esta es una constante virtual para el amplificador en todo su rango de frecuencia de operación debido a la velocidad a la que la ganancia cae con la frecuencia. GBWP es un concepto de modelo de frecuencia pequeña.

Al pensar en OpAmps en términos de un modelo de señal pequeña, el producto del ancho de banda de ganancia es solo una forma fácil de describir el ancho de banda útil de la ganancia de bucle abierto del amplificador. Las señales en el modelo de señal pequeña son muy pequeñas. De manera análoga al trabajo virtual o al desplazamiento virtual en mecánica, las pequeñas señales en electrónica pueden ser extremadamente pequeñas. Cuanto más se acerca la operación a los límites de rendimiento del amplificador, más pequeñas deben ser las señales reales para que los conceptos del modelo de señal pequeña sean válidos.

Al considerar señales reales con amplitud, la velocidad de respuesta (SR) de un amplificador se vuelve más importante que GBWP. En este caso, para un amplificador de impedancia trans (TIA), que convierte la corriente en voltaje con una relación de conversión de 47 kOhm, sería mejor mirar el SR requerido. Si la corriente de entrada fuera un pico de 100 uA, el voltaje de salida pico del OpAmp tendría que ser de 4,7 V. La velocidad de respuesta para admitir una señal de 1 MHz con una amplitud de 4,7 V debería ser:

RS > 2$\pi$F$V_{\text{pk}}$=$\text{2$\pi $ 1MHz 4.7V}$o 29.5$\frac{V}{\text{$\mu $Sec}}$

Un OpAmp con GBWP de 10 MHz tendrá un SR de aproximadamente 20$\frac{V}{\text{$\mu $Sec}}$, por lo que no podría admitir ni siquiera una conversión de corriente a voltaje de 1MHz, 100uA.

En lo que respecta al ancho de banda disponible, lo único que importa es la GANANCIA DE BUCLE (LG).

1.) Comenzando con el segundo circuito tenemos un factor de retroalimentación k=R1/(R1+R2) y la ganancia del lazo es

LG=-k*Aol (Aol=ganancia de bucle abierto del opamp).

La ganancia de bucle cerrado es Acl=Aol/(1-LG) . Un opamp con compensación de ganancia unitaria tiene una ganancia de bucle abierto (paso bajo de primer orden) Aol=Ao/(1+w/wo) .

El ancho de banda de bucle cerrado es idéntico a la frecuencia en la que la magnitud de ganancia del bucle es la unidad. Usando las ecuaciones dadas anteriormente, estableciendo |LG|=1, y resolviendo para w, obtenemos la nueva frecuencia de esquina de 3dB w1 (ancho de banda) para la ganancia de bucle cerrado Acl: w1=wo(Ao*k-1 ) .

Despreciando el "1" y configurando 1/k=Acl (sin inversor), el resultado final es

Acl*w1=Aowo

(ganancia de lazo cerrado por BW de lazo cerrado = ganancia de lazo abierto por BW de lazo abierto). Tenga en cuenta que los VALORES de la resistencia no tienen importancia porque solo la RELACIÓN de la resistencia determina el factor de retroalimentación k.

2.) Con respecto al primer circuito, la ganancia del bucle es LG=Aol (porque la resistencia interna de la fuente de corriente es infinita, lo que da k=1). Por lo tanto, el ancho de banda de la señal pequeña es idéntico a la frecuencia donde LG=Aol=0dB . Por lo tanto, la frecuencia de tránsito (GBW) del opamp es el ancho de banda de bucle cerrado disponible para el convertidor de corriente a voltaje.

ACTUALIZACIÓN : Las consideraciones anteriores se aplican solo al ancho de banda de señal pequeña. Por supuesto, en algunos casos, el ancho de banda de señal grande (velocidad de respuesta) será el factor limitante (como se describe en otra respuesta).