AMPLIFICADORES DE REALIMENTACIÓN EN CORRIENTE
La principal ventaja de la topología de amplificador realimentación en corriente es la altísima velocidad que proporciona. Desde hace unos años, a pesar de que sólo llegamos a oir hasta 20kHz, muy en contra del diseño tradicional por parte de ingenieros y audiófilos, se ha comprobado que aumentar la velocidad (ancho de bada, slew-rate, tiempos de almacenamiento, retrasos de propagación...) tiene como consecuencia directa una mejora del sonido, de hecho cualquier amplificador de estado sólido de una cierta calidad supera los 10V/µs, aunque el máximo que impone el formato digital 44kHz, 16bit es de aproximadamente 1V/µS.
En los diseños que se basan o se apoyan en la realimentación negativa, la velocidad es una medida de gran importancia sobre cómo de rápido se podrán llegar a corregir los errores que ellos mismos crean. Normalmente los parámetros de un amplificador empeoran a medida que crece la frecuencia y también la capacidad de corregirlo, por dos motivos: el menor factor de realimentación (causado por la compensación en frecuencia) y el menor margen de velocidad del que dispone el amplificador sobre la señal.
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TOPOLOGÍA.
Los amplificadores de realimentación en corriente (CFB-current feedback), son la alternativa en ciertas aplicaciones a los tradicionales amplificadores de realimentación en voltaje (VFB), más correctamente llamados amplificadores operacionales, a pesar de que éste término se use habitualmente para referirse a los IC amplificadores. Incluso a los amplificadores CFB integrados se les denomina comúnmente op-amp.
Sus aplicaciones son las mismas que las de un amplificador operacional, básicamente, amplificar. Pero sus características no lo son, y es esta la principal diferencia. Hacen lo mismo pero de distinta manera.
Poseen dos entradas, + y -, como los amplificadores operacionales, y poseen una salida que amplifica la diferencia de tensión entre + y -. La salida es una fuente de voltaje de baja impedancia, como en los op-amp. La diferencia es que la entrada - tiene una impedancia idealmente cero, en contraposición con la impedancia de entrada idealmente infinita de los op-amp convencionales.
Circuito equivalente de un amplificador CFB
Ganancia y ancho de banda.
Este diseño permite el uso de realimentación, si se compensa en frecuencia para la ganancia deseada. Como los op-amp. Pero la otra diferencia es que la ganancia en lazo cerrado de la etapa no determina en absoluto el ancho de banda, como en los op-amp. Las únicas limitaciones están causadas por la capacidad parásita de diversos componentes, en conjunto con la resistencia de realimentación.
GBP amplificador VFB
El ancho de banda lo delimita únicamente una resistencia, por lo que podemos extender el ancho de banda idealmente hasta el infinito.
En el mundo real hay restricciones, y vienen dadas por que el valor de la impedancia de la entrada - no es cero, y su capacidad de absorver corriente no es infinita, está limitada, depende del buffer empleado pero no suele superar los 100 miliamperios. Por eso no se puede elegir una resistencia de realimentación tan baja como queramos y en algún punto habrá limitación de ganancia.
GBP amplificador CFB
En un amplificador VFB, el ancho de banda depende de la ganancia. En un CFB, depende de una resistencia.
Entre la entrada - y un nodo interno de suma importancia existe una capacidad parásita (o no) que es la que compensa en frecuencia al amplificador.
El polo dominante está formado por la resistencia de realimentación y ese condensador. No interviene el efecto Miller, ni se corrige a base de realimentación. Esta es la causa de que la frecuencia "de corte" sea independiente de la ganancia.
Ganancia y fase en un Cfb
Ganancia y fase en un Vfb
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Esquemas.
Ya en un nivel más electrónico, la topología básica empleada es la mostrada a la derecha.
Se pueden observar los condensadores de compensación (Cc), un buffer de entrada, dos espejos de corriente y un buffer de salida. Esos son los bloques básicos. La topología es simétrica, por lo que se cancelan los armónicos pares. Cada buffer es el conocido buffer de ganancia unidad con Zin infinita y Zout=0 (idealmente)
Ahora en un esquema simplificado con más elementos ideales veremos el funcionamiento (abajo):
La corriente causada por la diferencia de tensión entre el nodo N1 y la salida del amplificador saldría habitualmente de la tensión de alimentación. Pero en ese punto hay un espejo de corriente que replica la corriente causada por el error. Mediante una carga activa o pasiva, se transforma la corriente en voltaje.
Como una carga activa produciría una ganancia infinita (y eso sabemos que no es posible), se modela la ganancia máxima como una resistencia parásita de valor habitualmente superior a 1MOhm, pero que produce que AV0 no pueda ser infinita..
En lazo abierto, la ganancia es RT/RINV.
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MITOS Y REALIDAD.
Existen varios mitos que conviene desmentir primero, y algunas características que se deben puntualizar.
Menos distorsión.
Sobre los amplificadores operacionales integrados de realimentación en voltaje si es asi, pero no sobre la totalidad de los amplificadores de realimentación en voltaje. La diferencia reside en la topología. No es completamente cierto que una tenga menos distorsión que la otra.
Los amplificadores monolíticos de VFB no usan siempre topología supersimétrica ya que la patente de esta técnica (propiedad de Passlabs) no se lo permite. En los amplificadores de realimentación en corriente la topología es siempre simétrica, dado que no estaba protegido por patente y que la técnica supone una mejora en las cifras de distorsión al cancelar armónicos de orden par. Un VFB y un CFB pueden tener más o menos los mismos números de THD bajo circunstancias semejates.
Lo que si es cierto es que como el ancho de banda no depende de la ganancia, son mejores para mayores ganancias.
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Más ruido.
No necesariamente, de hecho el ruido de voltaje es muy semejante a los de los amplificadores convencionales con realimentación en voltaje. Lo que si empeora es el ruido de corriente, puede superar los pA/rt(Hz). En todo caso esto se puede solucionar utilizando una fuente de baja impedancia de salida, y fuera del campo integrado existen amplificadores con buffer de entrada Jfet, que proporciona menores cifras de ruido de corriente, pero menos precisión DC y algo más de ruido de voltaje.
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Menos precisión DC.
Esto si es completamente cierto. La imposbilidad de crear pares complementarios de transistores perfectamente iguales impide esta precisión DC. En todo caso, el error inducido no es alarmante, símplemente impide el uso de este tipo de amplificador en amplificadores de DC, instrumentación y medida. Para señal de audio, con añadir un servo de DC es más que suficiente, el offset de DC queda reducido a 1mV.
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Más velocidad.
También es completamente cierto y salvo amplificadores de VFB que usen lazos internos (o incluso etapas enteras) de realimentación en corriente, no se puede llegar a igualar fácilmente. La realimentación en corriente permite una rápida carga de los condensadores parásitos, especialmente el de compensación basado en el efecto Miller, responsable de la limitación en slew-rate.
En los amplificadores VFB la corriente de la etapa está limitada por una fuente fija, en el momento que se le demande responderá entregando al condensador parásito todo lo que puede dar. Esto produce una carga con pendiente fija (a través de resistencia es exponencial). En un amplificador CFB, esto no ocurre, existe gran libertad para cargar y descargar ese condensador parásito principalmente porque el buffer proporciona toda la corriente necesaria sin entrar en ningún tipo de sobrecarga. Teóricamente no hay limitación en slew-rate, aunque si la hay en una situación real donde las capacidades e impedancias parásitas limitan esta velocidad. En todo caso, se cargan a través de impedancias muy bajas, de menos de 100 Ohm, lo que permite tasas de slew-rate de 2000V/µs en amplificadores de señal y 200V/µs en amplificadores de potencia.
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El futuro.
Los amplificadores de CFB no son en absoluto un experimento. Los fabricantes de amplificadores integrados (Analog Devices y Burr-Brown principalmente) están recomendando la migración a amplficadores CFB para aplicaciones de alta velocidad como tratamiento de la señal de vídeo y otros usos AC, como el audio, filtrado,... Muchos de los fabricantes de etapas high-end también han migrado a esta topología.
El futuro de los amplificadores lineales de audio de potencia, a nivel de mercado, pasa obligatoriamente por esta topología. Todavía no está suficientemente extendida pero ha llegado para quedarse y muy posiblemente para suceder a los de voltaje.
Nerio Ramirez
http://www.pcpaudio.com/pcpfiles/doc_amplificadores/CFB/CFB.html
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