Amplificador operacional con realimentación de corriente

El amplificador operacional de realimentación de corriente ( CFOA o CFA ) es un tipo de amplificador electrónico cuya entrada inversora es sensible a la corriente , en lugar de a la tensión como en un amplificador operacional de realimentación de tensión convencional (VFOA o VFA). Destaca por su alta velocidad y baja distorsión, ya que las corrientes se pueden conmutar más rápidamente que las tensiones en los circuitos de transistores de unión bipolar (BJT). ^{[ 1 ]}

Los amplificadores de frecuencia constante (CFA) suelen fabricarse con la misma disposición de pines que los amplificadores de frecuencia variable (VFA), lo que permite intercambiarlos sin necesidad de recablear cuando el diseño del circuito lo permite. En configuraciones sencillas, como los amplificadores lineales, un CFA puede utilizarse en lugar de un VFA sin modificaciones en el circuito, pero en otros casos, como en los integradores, se requiere un diseño de circuito diferente. La configuración clásica de amplificador diferencial de cuatro resistencias también funciona con un CFA, pero su índice de rechazo en modo común es inferior al de un VFA.

Un CFA fue inventado por David Nelson en Comlinear Corporation y vendido por primera vez en 1982 como un amplificador híbrido, el CLC103. Una patente temprana que cubre un CFA es la patente estadounidense 4,502,020 , de David Nelson y Kenneth Saller (presentada en 1983). Aunque se han emitido varias patentes, los conceptos fundamentales se establecieron décadas antes: un artículo de 1937 de Frederick Terman y un circuito de 1941 de Stewart E. Miller usaban retroalimentación de corriente con tubos de vacío , y un amplificador operacional de estabilización rápida de Bell Labs de 1965 para convertidores analógico-digitales de alta velocidad usaba transistores. ^{[ 1 ]} Los CFA de circuito integrado fueron presentados en 1987 tanto por Comlinear como por Elantec (diseñador Bill Gross).

En el esquema mostrado, la sección marcada en rojo constituye la etapa de entrada y el amplificador de error. La entrada inversora (nodo donde se conectan los emisores de Q1 y Q2) presenta baja impedancia y, por lo tanto, es sensible a las variaciones de corriente. Las resistencias R1-R4 establecen las condiciones de polarización en reposo y se seleccionan de manera que las corrientes de colector de Q1 y Q2 sean iguales. En la mayoría de los diseños, se utiliza un circuito de polarización activa en lugar de una polarización resistiva pasiva, y la entrada no inversora también puede modificarse para que tenga baja impedancia, al igual que la entrada inversora, con el fin de minimizar las desviaciones.

Sin aplicar ninguna señal, debido a los espejos de corriente Q3/Q4 y Q5/Q6, las corrientes de colector de Q4 y Q6 tendrán la misma magnitud si las corrientes de colector de Q1 y Q2 también la tienen. Por lo tanto, no fluirá corriente hacia la entrada del búfer (o, lo que es lo mismo, no habrá voltaje en la entrada del búfer). En la práctica, debido a desajustes en los componentes, las corrientes de colector son desiguales, lo que provoca que la diferencia fluya hacia la entrada del búfer y que se produzca un desfase en su salida. Esto se corrige ajustando la polarización de entrada o añadiendo un circuito de anulación de desfase.

La sección marcada en azul (Q3–Q6) forma un convertidor I-V. Cualquier cambio en las corrientes de colector de Q1 y Q2 (como resultado de una señal en la entrada no inversora) se manifiesta como un cambio equivalente en la tensión en la unión de los colectores de Q4 y Q6. C _s es un condensador de estabilidad que garantiza la estabilidad del circuito en todas las condiciones de funcionamiento. Debido al amplio ancho de banda en lazo abierto de un amplificador de frecuencia constante (CFA), existe un alto riesgo de que el circuito entre en oscilaciones. C _s atenúa las frecuencias donde podrían iniciarse las oscilaciones, especialmente cuando se opera con una ganancia de lazo cerrado baja.

La etapa de salida (en magenta) es un búfer que proporciona ganancia de corriente. Tiene una ganancia de voltaje unitaria (+1 en el esquema).

El ancho de banda de los VFA con compensación interna está determinado por un condensador de compensación de polo dominante interno, lo que resulta en una limitación constante de ganancia/ancho de banda. Los CFA también tienen un condensador de compensación de polo dominante, pero debido a que utilizan retroalimentación de corriente en lugar de retroalimentación de voltaje, la respuesta de lazo abierto resultante es diferente. La estabilidad de los VFA depende de la relación entre la ganancia de lazo abierto y la ganancia de retroalimentación; la estabilidad de los CFA depende de la relación entre la transimpedancia de lazo abierto y la resistencia de retroalimentación. Los VFA presentan una dependencia de ganancia/ancho de banda; los CFA presentan una dependencia de transimpedancia/resistencia de retroalimentación.

En los VFA, el rendimiento dinámico está limitado por el producto ganancia-ancho de banda y la velocidad de respuesta . Los CFA utilizan una topología de circuito que enfatiza el funcionamiento en modo de corriente, que es inherentemente mucho más rápido que el funcionamiento en modo de voltaje porque es menos propenso al efecto de las capacitancias nodales parásitas. Cuando se fabrican utilizando procesos bipolares complementarios de alta velocidad, los CFA pueden ser órdenes de magnitud más rápidos que los VFA. Esto se debe en gran medida a que la mayoría de los VFA están compensados ​​para la estabilidad a ganancia unitaria. Los VFA descompensados ​​pueden ser tan rápidos como los CFA. Con los CFA, la ganancia del amplificador se puede controlar independientemente del ancho de banda. Esta es la principal ventaja de los CFA sobre las topologías VFA convencionales. ^{[ 2 ]}

Las desventajas de los CFA incluyen características de voltaje de offset de entrada y corriente de polarización de entrada deficientes. Además, las ganancias de bucle de CC son generalmente menores en aproximadamente tres órdenes de magnitud. Los CFA tienen un ruido de corriente de entrada inversora mucho mayor. Los circuitos CFA deben usar un valor específico de resistencia de retroalimentación para lograr el máximo rendimiento. Un valor menor de resistencia de retroalimentación puede hacer que el amplificador oscile. Los circuitos CFA nunca deben incluir una capacitancia directa entre los pines de salida y entrada inversora, ya que esto a menudo conduce a la oscilación. Los CFA son ideales para aplicaciones de muy alta velocidad con requisitos de precisión moderados. ^{[ 3 ]}

El desarrollo de VFA más rápidos continúa, y actualmente existen VFA con productos de ganancia-ancho de banda en el rango UHF bajo. Sin embargo, también existen CFA con productos de ganancia-ancho de banda más de una octava superiores a los de sus homólogos VFA, y además son capaces de funcionar como amplificadores muy cerca de sus productos de ganancia-ancho de banda.

El amplificador operacional con realimentación de corriente es un tipo de fuente de voltaje controlada por corriente (CCVS).

• Amplificador de transimpedancia , una fuente de voltaje controlada por corriente (CCVS) ideal.
• Amplificador Norton , una fuente de voltaje controlada por corriente (CCVS) con entrada de corriente diferencial.
• Amplificador operacional y amplificador de instrumentación , fuentes de voltaje controladas por voltaje (VCVS)
• Amplificador de transconductancia operacional , fuentes de corriente controladas por voltaje (VCCS) con entrada de voltaje diferencial.

• «Amplificadores operacionales de retroalimentación de corriente y sus aplicaciones», por Raj Senani, DR Bhaskar, VK Singh y AK Singh, Springer Science+ Business Media, Nueva York, 2013 ISBN 978-1-4614-5187-7https://www.springer.com/gp/book/9781461451877
• 'Aplicación del amplificador operacional de retroalimentación de corriente' por el Prof. Ahmed M. Soliman https://www.researchgate.net/publication/227165604_Applications_of_the_Current_Feedback_Operational_Amplifiers
• «Realización de una clase de circuitos de procesamiento/generación de señales analógicas: configuraciones novedosas mediante amplificadores operacionales con realimentación de corriente», por el Prof. Raj Senani, Frequenz: Revista de Telecomunicaciones (Alemania), vol. 52, n.º 9/10, págs.  196-206, 1998. https://www.researchgate.net/publication/260854255_Realization_of_a_Class_of_Analog_Signal_Processing_Signal_Generation_Circuits_Novel_Configurations_Using_Current_Feedback_Op-Amps
• «Amplificador operacional con realimentación de corriente y aplicaciones» por FJ Lidgey y Khaled Hayatleh, Electronics and Communication Engineering Journal, 9 (4), pp.  176–182, septiembre de 1997 https://www.researchgate.net/publication/3364493_Current-feedback_operational_amplifiers_and_applications

• "Amplificadores de retroalimentación de corriente" por Erik Barnes de Analog Devices Inc.
• "Guía de diseño de amplificadores operacionales para todos (Rev. B)" por Ron Mancini de Texas Instruments Inc.