Circuitos electrónicos

Un "Amplificador con realimentación" (CFB-current feedback) es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):

Vout = G \cdot

V⁺ − V^-
Donde

G = \Delta_v = - \frac{R_{realimentacion}}{R_{entrada}}

El amplificador con realimentación es una alternativa a los amplificadores con realimentación en voltaje, también llamados operacionales. (Véase Amplificador operacional).

Teoría de realimentación negativa

Definición

Estrategia general de diseño de sistemas, según la cual una magnitud proporcional a la salida del sistema se resta a la entrada de referencia.

Ventajas de la RN

Reduce la sensibilidad del sistema a variaciones de parámetros.
Aumenta el ancho de banda.
Reduce la distorsión no lineal.
Mejora las impedancias de entrada y de salida

Configuración del amplificador realimentado

Normalmente bA>>1 _Af ~1/b

1+bA es el factor de mejora.

En ese factor aumenta el ancho de banda, disminuye la sensibilidad… Amplificador sin realimentación con frecuencia de corte superior en wH

A(s)=Am/(1+s/wH)

aAf=A/(1+bA)

aAf(s) = Afm/(1+s/wHf) siendo Afm=Am/(1+bAm) y wHf = wH(1+bA)

 La ganancia se reduce en 1+bA  El ancho de banda aumenta en 1+bA

Amplificador sin realimentación con frecuencia de corte inferior en wL

A(s)=Ams/(s+wL)

aAf=A/(1+bA)

aAf(s) = Afms/(s+wLf) siendo Afm=Am/(1+bAm) y wLf = wL/(1+bA)

 La ganancia se reduce en 1+bA  El polo de baja frecuencia disminuye en 1+bA

  Ancho de banda original

  Nuevo ancho de banda

Amplificadores ideales y configuraciones de realimentación

4 posibilidades 1. Tensión 2. Corriente 3. Transresistencia 4. Transconductancia

En el caso de amplificadores de voltaje la realimentación debe aumentar Rin y disminuir Rout, para que toda la tensión que proviene de la señal de entrada caiga sobre el amplificador y para que toda la tensión de la señal de salida caiga sobre la carga que se coloque. En los amplificadores de transresistencia la realimentación debe disminuir la Rin y disminuir Ro, para que toda la corriente de la señal de entrada pase por el amplificador y para que toda la tensión de salida del amplificador caiga sobre la carga colocada. En el caso de amplificadores de corriente la realimentación deberá disminuir Rin y aumentar Rout, para que toda la corriente de la señal de entrada pase por el amplificador y para que toda la corriente de salida pase por la carga colocada. Y por último en los amplificadores de transconductancia la realimentación deberá aumentar Ri y aumentar Ro, para que toda la tensión de la señal de entrada caiga sobre el amplificador y para que toda la corriente de salida pase por la carga colocada.

Amplificador de Tensión

IDEAL REAL

Amplificador de Corriente

IDEAL REAL

Amplificador de Transresistencia

IDEAL REAL

Amplificador de Transconductancia

IDEAL REAL

La Realimentación aumenta o disminuye Rin y Rout de forma que los amplificadores se parezcan más al caso ideal.

    Efecto de la Realimentación

Amplificador en Tensión Rin Rout

Amplificador en Corriente Rin Rout

Amplificador de Transresistencia Rin Rout

Amplificador de Transconductancia Rin Rout

Tipos de realimentación

La Realimentación en Tensión se opone a cualquier variación de la señal de entrada que intente cambiar la tensión de salida a reduce la Rout (adecuada para los amplificadores de tensión y transresistencia)

La Realimentación en Corriente se opone a los cambios de corriente, haciendo que la salida sea una fuente de corriente cte a aumenta la Rout (adecuada para los amplificadores de corriente y transconductancia)

TIPOS DE REALIMENTACIÓN

La Realimentación en Serie. Se conecta en serie el circuito del amplificador con el de realimentación. Esto incrementa la resistencia de entrada (adecuada para amp. de tensión y transconductancia).

La Realimentación en Paralelo. Se conectan en paralelo el circuito amplificador y el de realimentación. Esto disminuye la resistencia de entrada (adecuada para amp. de corriente y transrresistencia).

Realimentación de tensión en serie para amplificador de tensión.

Realimentación de corriente en paralelo para amplificador de corriente.

Ventajas

La principal ventaja del desarrollo usando amplificadores con realimentación en corriente es la altísima velocidad que proporcionan. En consecuencia, se ha comprobado que aumentar la velocidad tiene como ventaja una mejora del sonido. Así mismo, la velocidad influye en la rapidez en la que se podrán corregir los fallos que ellos mismos producen.

Los amplificadores realimentados en corriente (CFA) es un tipo de amplificador electrónico cuya entrada negativa es sensible a la corriente, a diferencia de los amplificadores normales que lo son a la tensión (VFA).

El CFA fue inventado sobre 1988. Normalmente son producidos como circuitos integrados con la misma asignación de pines que los VFA, permitiendo así que los dos tipos puedan ser fácilmente intercambiables. En configuraciones simples, tales como amplificadores lineales, un CFA puede ser usado en lugar de un VFA sin modificar el circuito, pero en otros casos, como en los integradores se necesita un rediseño. La configuración clásica del amplificador con cuatro resistencias también funciona con un CFA, pero el CMRR es muy pobre.

AMPLIFICADORES RETROALIMENTADOS

RETROALIMENTACION. En su búsqueda de métodos para el diseño de amplificadores con ganancia estable para el uso de los repetidores telefónicos Harold Black, un ingeniero de electrónica de la compañía Western Electric inventó el amplificador retroalimentado en 1928.

Desde entonces esta técnica se ha ocupado tan ampliamente que es casi imposible pensar en los circuitos electrónicos sin alguna forma de retroalimentación, tanto implícita como explícita; la mayor parte de los sistemas físicos incluyen alguna forma de retroalimentación. Más aún el concepto de la retroalimentación y su teoría asociada es utilizado corrien-temente en áreas diferentes de la Ingeniería, como el modelo de sistemas biológicos.

La retroalimentación puede ser tanto positiva como negativa (regenerativa,degenerativa). Es interesante notar, sin embargo, que los ingenieros en electrónica han desarro-llado la teoría de la retroalimentación negativa.

En el diseño de los amplificadores la retroalimentación se aplica para el efecto de una o más de las propiedades siguientes:

-Desensibiliza la ganancia- esto es, hace el valor de la menos sensible a las variaciones en el valor de los componentes del circuito, tales como las variaciones que podrían provocar las variaciones en

la temperatura.

-Reduce la distorsión no lineal- es decir, hace la salida proporcional a la entrada (en otras palabras hace a la ganancia del valor de nivel de señal).

-Reduce el efecto del ruido- señales eléctricas indeseables generadas por los componentes del circuito y de la interfe-rencia externa.

-Controla las impedancias de entrada y de salida- al selec-cionar una topología de retroalimentación apropiada, puede hacerse que las impedancias de entrada y de salida aumenten o disminuyan según se desee.

-Extensión del ancho de banda del amplificador- Todas las propiedades deseables anteriores se obtienen a expensas de una reducción de ganancia, y al factor de reducción de ganan-cia se le llama magnitud de retroalimentación, es el factor por el cual el circuito se desensibiliza, mediante el cual el ancho de banda se extiende, la impedancia de entrada de un amplificador de voltaje se incrementa y así sucesivamente.

En síntesis, la idea básica de la retroalimentación negativa es cambiar ganancia por otras propiedades deseables.

Bajo ciertas condiciones la retroalimentación puede volverse positiva y de tal magnitud que cause oscilaciones.

Sin embargo, no debe implicarse que la retroalimentación positiva lleva a la inestabilidad, esta es útil en cierto número de aplicaciones tales como el diseño de los filtros activos.

Para hablar de amplificadores retroalimentados primero debemos citar todos las partes que componen un amplificador retroalimentado, así tenemos un amplificador básico, cualquier tipo de amplificador básico como los vistos en electrónica 2, una red de retroalimentación, esta red puede estar formada por elementos activos o pasivos, una red para muestrear la variable de salida y una red mezcladora que se utiliza para sumar la variable de entrada con la variable de retroalimentación. Consideremos la configuración inversora en la cual la variable de retroalimentación está desfasada 180 grados respecto a la entrada, si está en fase se dice que tenemos retroalimentación positiva.

Hay cuatro distintas combinaciones de transferencia en los amplificadores retroalimentados.

Avf= Xo = voltaje de salida

Xi voltaje de entrada AMPLIFICADOR DE VOLTAJE

Aif= Xo = corriente de salida AMPLIFICADOR DE VOLTAJE

Xi corriente de entrada

Gif =Xo = corriente de salida AMPLIF.DE TRANSADMITANCIA

Xi voltaje de entrada

Rmf= Xo = voltaje de entrada AMPLIF.DE TRANSIMPEDANCIA

Xi corriente de entrada

TOPOLOGIAS BASICAS

Amplificadores de voltaje (retroalimentación en serie y derivación), se requiere impedancia de entrada alta e impedancia de salida baja. Muestrea voltaje y suma voltaje.

Amplificadores de corriente (retroalimentación en derivación y serie). Impedancia de entrada baja y de salida alta. Muestrea corriente y suma corriente.

Amplificadores de transcoductancia (retroalimentación serie-serie). Muestrea corriente y suma voltaje.

Amplificadores de transimpedancia (retroalimentación derivación-derivación). Muestrea voltaje y suma corriente.

Si consideramos la realimentación negativa conectando la resistencia Rf entre la salida y la entrada. La comparación real de la salida y la entrada tiene lugar combinando las corrientes i1 e i2 en el nodo de entra-

da, por lo que se le llama diferenciación de corriente. Para facilitar el análisis se puede sustituir la resistencia de realimentación por el circuito equivalente representado en la figura 1.1.Si se desea un circuito equivalente general se tiene el de la figura 1.2

Según el señor Schilling un amplificador diferenciador de corriente negativa comprende conceptualmente tres secciones.

Un amplificador al que se le aplica la realimentación

Una red de realimentación que puede contener desde una sola resistencia hasta un circuito con elementos no lineales.

Un circuito diferenciador (o sumador) en que la salida se compara con la entrada.

DIFERENCIADOR DE TENSION

El circuito diferenciador de tensión difiere del circuito diferenciador de corriente en que la salida de la red de realimentación está en serie con la resistencia de entrada. Aquí la comparación de la salida y la entrada se realiza por medio de la adición de tensiones.

Para mayor claridad se muestra a continuación la figura de un circuito diferenciador de tensión.

La figura muestra la estructura básica al final de la página de un amplificador de retroalimentación. Más que mostrar voltajes y corrientes esta figura es un diagrama de flujo de señal en donde cada una de las señales puede representar tanto una señal de voltaje como una señal de corriente. El amplificador de lazo abierto tiene una ganancia A; de esta manera su salida "x se relaciona con la entrada xo mediante:

A=Xo/Xi

La salida x se alimenta tanto a la salida del amplificador básico como a la entrada del circuito de retroalimentación el cual produce una muestra de salida. Esta muestra de salida xo se relaciona con xo mediante la relación con el factor de retroalimentaci6n (Beta).

Xf=BXo

La señal de retroalimentación se resta de la señal de la fuente Xs que es la entrada al amplificador de retroalimentación completo para producir una señal X i que es la entrada del amplificador básico.

Xi=Xs-BXo

Esta es la sustracción que hace negativa la retroalimen-tación. En esencia la retroalimentación negativa reduce la seña que aparece a la entrada del amplificador básico.

En la descripción anterior va implícito que la fuente, la carga y el circuito de retroalimentación no cargan al amplificador básico esto es, la ganancia A no depende de ninguno de estos circuitos. En la práctica éste no será el caso y se tendrá que encontrar un método para formar un circuito real de la estructura ideal.

Este nuevo diagrama permitirá observar que la transmisión directa ocurre enteramente a través del amplificador básico y la transmisión inversa sucede enteramente a través del circuito de retroalimentación. D2e las ecuaciones Xo y X s podemos obtener la ganancia del amplificador retroalimentado así:

A=X0/Xi= Xo = Xo/Xi = Af

Xi-Bxo 1-BXO/Xi 1-AfB

A la cantidad AB se le llama ganancia de lazo 5 de bucle, y 1 + AB se llama cantidad o magnitud de retroalimentación.

Si, como en el caso de muchos circuitos, la ganancia de lazo AB grande.

entonces se deduce

AB»1

A f = 1/B

es decir, la ganancia del amplificador de retroalimentación se determina casi por completo por el circuito de retroali-mentación. Ya que el circuito de retroalimentación usualmente consta de componentes pasivos tan precisos como se desee, la ventaja de la retroalimentación negativa al obtener ganancia precisa, predecible y estable resulta evidente. En otras palabras, la ganancia total tendrá muy poca dependencia de la ganancia del amplificador básico. Esta es una propiedad deseable ya que la ganancia A es usualmente una función de muchos parámetros, algunos de los cuales pueden tener amplias tolerancias.

Si se emplea una gran magnitud de retroalimentación negativa, la señal de retroalimentación X f se vuelve una réplica casi exacta de la señal de entrada X S . Un resultado de esta propiedad es el seguimiento de las dos terminales de entrada de un amplificador op. de diferencia entre X S y X f que es Xi se conoce a veces como la señal de error.

DESARROLLO

Proponiendo

Vcc= 12v

ICQ= 10 mA

Rs= 8.2 K

RL= 15 K

Rf= 15K

Si analizamos el circuito utilizado para esta práctica tendremos que

Re= 1/ICQ= 1/10mA= 100 ohms

Rc= 5V/10mA= 500 ohms

R1= Rb/(1-Vbb/Vcc)= 1K/(1-1.7/12)=1.2K comercial

R2= Rb(Vcc/Vbb)= 1K(12/1.7)= 6.8K

Modelando la red de retroalimentación con parámetros h, debido a que es un serie paralelo y si utilizamos la técnica de reflejos de impedancia como hemos venido haciendo para todo tipo de problemas de este tipo:

Para poder obtener nuestra relación Vo/Vs obtenemos las siguientes rela- ciones de nuestro cto. anterior.

ib1/Vs = 10.025x10-6

ib2/ib1= -321.74(5.7 + Ze)

si Io= -2.59 ib2 y Vo=-Iox15K entonces

Vo/ib2=44.25K

Realizando la multiplicación de los cocientes anteriores tenemos:

Vo/Vs= 142.72/(5.7 + Ze)

Como Ze= Re/(sCRe+1)

S= ((5.7+Re)/(5.7CeRe)

Si Re=100 ohms, ahora calculamos el valor de Ce de la ecuación característica.

Para un polo a 15 KHz

Wp=1/5.4Ce

Ce=1.96uF

Con un valor comercial de 1.68uF el polo del circuito se encontrará a 17.5 KHz

El cálculo de los demás capacitores de acoplamiento se realiza utilizando el método que nos dió el Ing. Yanga llamado método rápido

W=1/CxRx donde Cx es el capacitor duscado

Rx es la resistencia vista por el capacitor

Obtenemos los siguientes valores de los capacitores

C1=0.22uF c2=1uF c3=0.1uF

Si hacemos que s tienda a infinito en nuestra ecuación de transferencia de voltaje, obtenemos nuestra ganancia en frecuencia media.

Av= (ib1/Vs)(ib2/ib1)(vo/ib2)

Donde obtenemos la ganancia del básico que es Av=24.98

Para hallar el lazo hacemos cero la excitación y abrimos el lazo colocando una fuente auxiliar llamada Vo´

L=(ib1/Vo´)(ib2/ib1)(vo/ib2)

Calculando para la frecuencia media haciendo s a infinito tenemos:

L=1.475

Para calcular la ganancia del amplificador retroalimentado

Avf= Av/(1-L)= 10.092

La impedancia de entrada del amplificador

Ri=9.126K

Y l2a impedancia de entrada del amplificador retroalimentado

Rif=9.126K(1+1.475)=22.58K como notamos la impedancia de entrada se hizo más grande por ser un amplificador serie.

La resistencia del amplificador básico

Ro= 455.8/15000=442.35

Para la impedancia de salida del amplificador retroalimentado

Rof= 442.35/(1+1.475)=178.72 ohms

De la ecuación característica poemos obtener la sensitividad

Swl Ce =1

Para aterrizar todos estos conocimientos ncesitamos llevarlos al laboratorio, he aquí los resultados en el laboratorio:

Av=24

Avf=9.55

Lazo=1.5

Ro=419.04 ohms

Rof=191.3 ohms

Frecuencia del polo 17.8 KHz

Sensitividad=1

Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114).

La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.

Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles, tales como equipos médicos (por ejemplo, el electrocardiógrafo), para minimizar el error de medida.

Estructura

En la siguiente figura se muestra la estructura de un amplificador:

Esquemático de un amplificador de instrumentación.

Al existir realimentación negativa se puede considerar un cortocircuito virtual entre las entradas inversora y no inversora (símbolos - y + respectivamente) de los dos operacionales. Por ello se tendrán las tensiones en dichos terminales y por lo tanto en los extremos de la resistencia

R_{gain}

Así que por ella circulará una corriente

I_g=(V_2-V_1)\left(\frac{1}{R_g}\right)

Y debido a la alta impedancia de entrada del A.O., esa corriente será la misma que atraviesa las resistencias

R_1

Por lo tanto la tensión que cae en toda la rama formada por

R_g, R_1 y R_1

será:

V_{intermedia}=\frac{(V_2-V_1)}{R_g}(R_g+2R_1)=(V_2-V_1)\left(\frac{R_g}{R_g}+\frac{2R_1}{R_g}\right)

Simplificando:

V_{intermedia}=(V_2-V_1)\left(1+\frac{2R_1}{R_g}\right)

Que será la DIFERENCIA de tensión entre la salida inmediata de los dos A.O. 's (justo antes de las

R_2

). Puesto que el resto del circuito es un restador de ganancia la unidad (R2=R3) su salida será exactamente la diferencia de tensión de su entrada(sin añadir ganacia), la cual se acaba de definir.

V_{out}=(V_2-V_1)\left(1+\frac{2R_1}{R_g}\right)

Nótese como se ha simplificado la expresión dando valores iguales a las resistencias R2 y R3.
En caso de que las resistencias no sean iguales, la ganancia total del amplificador de instrumentación será:

V_{out}=(V_2-V_1)\left(1+\frac{2R_1}{R_g}\right)\frac{R_3}{R_2}

En circuitos integrados suele encapsularse todo excepto la resistencia R_g para poder controlar la ganancia. También puede sustituirse la conexión a tierra por otra a unatensión dada.

Aplicaciones

Para acondicionar la salida de un puente de Wheatstone.
Para amplificar señales eléctricas biológicas (por ejemplo en electrocardiogramas).
Como parte de circuitos para proporcionar alimentación a corriente constante.
En fuentes de alimentación.

CIRCUITO AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial, cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a sus propias especificaciones aún en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece características funcionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona.

Estos circuitos amplifican la diferencia entre dos señales de entrada y rechazan cualquier señal que sea común a ambas señales. Estos circuitos se utilizan principalmente para amplificar señales diferenciales muy pequeñas en muchos procesos industriales, medición, adquisición de datos y aplicaciones médicas.

Ante las exigencias de medida que imponen los sensores, estos circuitos deben cumplir unos requisitos generales:

Ganancia: seleccionable, estable y lineal.
Entrada diferencial: con CMMR alto.
Error despreciable debido a las corrientes y tensiones de offset.
Impedancia de entrada alta.
Impedancia de salida baja.

FUNCIONAMIENTO y CÁLCULOS

La configuración más utilizada como amplificador de instrumentación, está constituida por tres amplificadores operacionales y se suele dividir en dos etapas principales: Etapa pre-amplificación y Etapa diferencial.

Para el análisis del Circuito de Instrumentación, se va a utilizar el siguiente circuito:

Etapa Pre-Amplificación

Aumenta la impedancia de entrada del conjunto. Gracias a su configuración no-inversora, iguala la impedancia del circuito a la del A.O.
Suelen utilizarse operacionales con entradas basadas en FET, para conseguir bajas corrientes de polarización.

A continuación, se va a proceder al análisis de esta parte del circuito.

Suponiendo que los amplificadores operacionales son ideales, se obtienen las siguientes expresiones: