Amplificador de transconductancia operacional

El amplificador de transconductancia operacional ( OTA ) es un amplificador que genera una corriente proporcional a su voltaje de entrada. Por lo tanto, es una fuente de corriente controlada por voltaje . Existen tres tipos de OTA: de entrada única y salida única, de entrada diferencial y salida única, y de entrada diferencial y salida diferencial (también conocido como totalmente diferencial) ^{[ 1 ];} sin embargo, este artículo se centra en el de entrada diferencial y salida única. Puede haber una entrada adicional para una corriente que controle la transconductancia del amplificador .

Las primeras unidades de circuitos integrados disponibles comercialmente fueron producidas por RCA en 1969 (antes de ser adquirida por General Electric ) en forma del CA3080. ^{[ 2 ]} Aunque la mayoría de las unidades están construidas con transistores bipolares, también se producen unidades de transistores de efecto de campo.

Al igual que un amplificador operacional estándar , el OTA también tiene una etapa de entrada diferencial de alta impedancia y puede usarse con retroalimentación negativa . ^{[ 3 ]} Pero el OTA se diferencia en que:

• El OTA genera una corriente, mientras que un amplificador operacional estándar genera un voltaje .
• El amplificador operacional transconductancia (OTA) se suele utilizar en modo de lazo abierto, sin retroalimentación negativa, en aplicaciones lineales. Esto es posible porque la magnitud de la resistencia conectada a su salida controla su tensión de salida. Por lo tanto, se puede elegir una resistencia que impida la saturación de la salida , incluso con altas tensiones de entrada diferenciales.

Estas diferencias implican que la gran mayoría de las aplicaciones estándar de amplificadores operacionales no se pueden implementar directamente con OTA. Sin embargo, los OTA pueden implementar filtros controlados por voltaje , osciladores controlados por voltaje (por ejemplo, osciladores de frecuencia variable ), resistencias controladas por voltaje y amplificadores de ganancia variable controlados por voltaje . ^{[ 4 ]}

En el OTA ideal, la corriente de salida es una función lineal de la tensión de entrada diferencial, calculada de la siguiente manera:

${\displaystyle I_{\mathrm {fuera} }=(V_{\mathrm {in+} }-V_{\mathrm {in-} })\cdot g_{\mathrm {m} }}$

donde V _in+ es el voltaje en la entrada no inversora, V _in− es el voltaje en la entrada inversora y g _m es la transconductancia del amplificador.

Si la carga es simplemente una resistencia de${\displaystyle R_{\text{carga}}}$Con respecto a tierra, el voltaje de salida del OTA es el producto de su corriente de salida y su resistencia de carga:

${\displaystyle V_{\mathrm {fuera} }=I_{\mathrm {fuera} }\cdot R_{\mathrm {cargar} }}$

La ganancia de voltaje es entonces el voltaje de salida dividido por el voltaje de entrada diferencial:

${\displaystyle G_{\mathrm {voltaje} }={V_{\mathrm {fuera} } \sobre V_{\mathrm {in+} }-V_{\mathrm {in-} }}=R_{\mathrm {carga} }\cdot g_{\mathrm {m} }}$

La transconductancia del amplificador se controla generalmente mediante una corriente de entrada, denominada I _abc ("corriente de polarización del amplificador"). La transconductancia del amplificador es directamente proporcional a esta corriente. Esta característica la hace útil para el control electrónico de la ganancia del amplificador, entre otras funciones.

Al igual que los amplificadores operacionales estándar, los OTA prácticos presentan algunas características no ideales. Estas incluyen:

• La no linealidad de la etapa de entrada a voltajes diferenciales de entrada elevados se debe a las características de los transistores de dicha etapa. En los primeros dispositivos, como el CA3080, la etapa de entrada constaba de dos transistores bipolares conectados en configuración de amplificador diferencial . Las características de transferencia de esta conexión son aproximadamente lineales para voltajes diferenciales de entrada de 20 mV o menos. ^{[ 5 ]} Esta es una limitación importante cuando el OTA se utiliza en lazo abierto, ya que no hay retroalimentación negativa para linealizar la salida. A continuación se menciona un método para mejorar este parámetro.
• Sensibilidad de la transconductancia a la temperatura.
• Variación de la impedancia de entrada y salida , la corriente de polarización de entrada y la tensión de compensación de entrada con la corriente de control de transconductancia I _abc .

Las versiones anteriores del OTA no tenían ni el terminal _{de polarización} I (mostrado en el diagrama) ni los diodos (mostrados junto a él). Todos se añadieron en versiones posteriores. Como se muestra en el diagrama, los ánodos de los diodos están unidos y el cátodo de uno está conectado a la entrada no inversora (Vin+) y el cátodo del otro a la entrada inversora (Vin− ) . Los diodos se polarizan en los ánodos mediante una corriente (I _bias ) que se inyecta en el terminal I _bias . Estas adiciones suponen dos mejoras sustanciales para el OTA. En primer lugar, cuando se utilizan con resistencias de entrada, los diodos distorsionan la tensión de entrada diferencial para compensar una cantidad significativa de no linealidad de la etapa de entrada a tensiones de entrada diferencial más altas. Según National Semiconductor, la adición de estos diodos aumenta la linealidad de la etapa de entrada en un factor de 4. Es decir, utilizando los diodos, el nivel de distorsión de la señal a 80 mV de entrada diferencial es el mismo que el del amplificador diferencial simple a una entrada diferencial de 20 mV. ^{[ 6 ]} En segundo lugar, la acción de los diodos polarizados compensa gran parte de la sensibilidad a la temperatura de la transconductancia del OTA.

Una segunda mejora consiste en la integración de un amplificador de búfer de salida de uso opcional en el chip donde se encuentra el OTA. Esto, más que una mejora del OTA en sí, facilita el trabajo del diseñador de circuitos, eliminando la necesidad de emplear un búfer independiente. Además, permite utilizar el OTA como un amplificador operacional tradicional, si se desea, convirtiendo su corriente de salida en voltaje.

Un ejemplo de un chip que combina ambas características es el National Semiconductor LM13600 y su sucesor, el LM13700 . ^{[ 4 ]}

• amplificador de transconductancia de diferencia de corriente
• Amplificador de transimpedancia : convierte la corriente en voltaje.

• Breve análisis del amplificador de transconductancia operacional (OTA)
• Comparación de amplificadores de transconductancia operacional (archivo)
• Ejemplos: CA3080 (producto obsoleto) , MAX 435 (producto obsoleto) Archivado el 17/07/2012 en Wayback Machine , MAX 436 (producto obsoleto) Archivado el 17/07/2012 en Wayback Machine , LM13700 , OPA860 , OPA861
• Transformadores ópticos de onda compacta (OTA) discretos para mejoras de sintetizadores DIY y Elektor Formant (archivo)
• Reducción del desfase de voltaje del OTA CMOS integrado (archivo)
• Mejora de la velocidad de respuesta y el ancho de banda del OTA CMOS basado en el espejo de corriente con sobreexcitación de frecuencia (archivo)