Amplificador totalmente diferencial

Un amplificador totalmente diferencial ( FDA ) es un amplificador de voltaje electrónico de alta ganancia acoplado en CC con entradas y salidas diferenciales . En su uso habitual, la salida del FDA se controla mediante dos rutas de retroalimentación que, debido a la alta ganancia del amplificador, determinan casi por completo el voltaje de salida para cualquier entrada dada.

En un amplificador totalmente diferencial, se rechaza el ruido de modo común, como las perturbaciones de la fuente de alimentación; esto hace que los amplificadores totalmente diferenciales sean especialmente útiles como parte de un circuito integrado de señal mixta . ^{[ 1 ]}

Un FDA se usa a menudo para convertir una señal analógica en un formato más adecuado para su entrada en un convertidor analógico-digital ; muchos ADC modernos de alta precisión tienen entradas diferenciales. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

Para cualquier voltaje de entrada, el FDA ideal tiene ganancia de lazo abierto infinita , ancho de banda infinito, impedancia de entrada infinita que resulta en corrientes de entrada cero, velocidad de cambio infinita , impedancia de salida cero y ruido cero .

En el amplificador operacional de detección de fallos ideal, la diferencia entre los voltajes de salida es igual a la diferencia entre los voltajes de entrada multiplicada por la ganancia. El voltaje de modo común de los voltajes de salida no depende del voltaje de entrada. En muchos casos, el voltaje de modo común se puede ajustar directamente mediante una tercera entrada de voltaje.

• Voltaje de entrada:${\displaystyle V_{\mathrm {id} }=V_{\mathrm {in+} }-V_{\mathrm {in-} }}$^{[ 5 ]}
• Voltaje de salida:${\displaystyle V_{\mathrm {od} }=V_{\mathrm {out+} }-V_{\mathrm {out-} }=V_{\mathrm {id} }\times \mathrm {Gain} }$^{[ 5 ]}
• Voltaje de modo común de salida:${\displaystyle V_{\mathrm {oc} }={\frac {(V_{\mathrm {out+} })+(V_{\mathrm {out-} })}{2}}}$^{[ 5 ]}

Un verdadero FDA solo puede aproximarse a este ideal, y los parámetros reales están sujetos a variaciones con el tiempo y con los cambios de temperatura, las condiciones de entrada, etc. Los FDA modernos integrados con FET o MOSFET se aproximan más a estos ideales que los circuitos integrados bipolares, donde se deben manejar señales grandes a temperatura ambiente en un ancho de banda limitado; la impedancia de entrada, en particular, es mucho mayor, aunque el FDA bipolar suele presentar características de deriva y ruido de offset de entrada superiores (es decir, menores).

Cuando se pueden ignorar las limitaciones de los dispositivos reales, un FDA puede considerarse una caja negra con ganancia; la función y los parámetros del circuito se determinan mediante retroalimentación , generalmente negativa. Un FDA, tal como se implementa en la práctica, es un circuito integrado de complejidad moderada .

La ganancia en lazo abierto se define como la amplificación de la entrada a la salida sin retroalimentación . En la mayoría de los cálculos prácticos, se supone que la ganancia en lazo abierto es infinita; en realidad, obviamente no lo es. Los dispositivos típicos presentan una ganancia de CC en lazo abierto que oscila entre 100 000 y más de 1  millón; esto es suficientemente grande como para que la ganancia del circuito esté determinada casi por completo por la cantidad de retroalimentación negativa utilizada. Los amplificadores operacionales tienen límites de rendimiento que el diseñador debe tener en cuenta y, en ocasiones, sortear. En particular, puede producirse inestabilidad en un amplificador de CC si se ignoran los aspectos de CA.

La ganancia de un FDA calculada en CC no se aplica a frecuencias más altas. En una primera aproximación, la ganancia de un FDA típico es inversamente proporcional a la frecuencia. Esto significa que un FDA se caracteriza por su producto ganancia-ancho de banda . Por ejemplo, un FDA con un producto ganancia-ancho de banda de 1  MHz tendría una ganancia de 5 a 200  kHz y una ganancia de 1 a 1  MHz. Esta característica de paso bajo se introduce deliberadamente porque tiende a estabilizar el circuito al introducir un polo dominante. Esto se conoce como compensación de frecuencia .

Un detector de flujo de banda (FDA) típico de bajo costo y uso general tendrá un producto ganancia-ancho de banda de unos pocos megahercios. Los FDA especializados y de alta velocidad pueden alcanzar productos ganancia-ancho de banda de cientos de megahercios. Algunos FDA incluso son capaces de lograr productos ganancia-ancho de banda superiores a un gigahercio.

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• Amplificadores totalmente diferenciales (Informe de aplicación de TI)
• Amplificadores totalmente diferenciales (Revista de aplicaciones analógicas de TI)