filtro de entrada de capacitor es un circuito de filtro en el cual el primer elemento es un capacitor conectado en paralelo con la salida del rectificador en una fuente de alimentación lineal . El condensador aumenta el voltaje de CC y disminuye los componentes de voltaje de ondulación de la salida. [1] El capacitor a menudo se denomina condensador de suavizado o condensador de depósito. El condensador es seguido a menudo por otros elementos de filtro alternos en serie y en paralelo para reducir aún más el voltaje de ondulación, o ajustar el voltaje de salida de CC. También puede ir seguido de un regulador de voltaje. que elimina virtualmente cualquier voltaje de ondulación restante, y ajusta la salida de voltaje de CC con mucha precisión para que coincida con el voltaje de CC requerido por el circuito.
Operación [ editar ]
Durante el tiempo en que el rectificador está conduciendo y el potencial es mayor que la carga a través del capacitor, el capacitor almacenará la energía del transformador; cuando la salida del rectificador cae por debajo de la carga en el condensador, el condensador descargará energía en el circuito. Dado que el rectificador conduce la corriente solo en la dirección hacia adelante, cualquier energía descargada por el capacitor fluirá hacia la carga. Esto da como resultado la salida de un voltaje de CC sobre el cual se superpone una forma de onda denominada onda de diente de sierra. La onda de diente de sierra es una aproximación lineal conveniente a la forma de onda real, que es exponencial tanto para la carga como para la descarga. Las crestas de las ondas de diente de sierra se redondearán más cuando la resistencia de CC del secundario del transformador sea mayor.
Corriente de rizado [ editar ]
Una corriente de ondulación que está desfasada 90 grados con la tensión de ondulación también pasa a través del condensador.
puente Carey Foster es un circuito de puente utilizado para medir resistencias medias o para medir pequeñas diferencias entre dos resistencias grandes. Fue inventado por Carey Foster como una variante en el puente de Wheatstone . Lo describió por primera vez en su artículo de 1872 "Sobre una forma modificada del puente de Wheatstone y los métodos para medir resistencias pequeñas" ( Telegraph Engineer's Journal , 1872–1873, 1, 196).
Utilizar [ editar ]
En el diagrama adyacente, X e Y son resistencias que deben compararse. P y Q son resistencias casi iguales, formando la otra mitad del puente. El cable del puente EF tiene un contacto jockey D colocado a lo largo de él y se desliza hasta que el galvanómetro G mide cero. Las áreas con bordes gruesos son barras de cobre gruesas de resistencia casi nula.
- Coloque una resistencia conocida en la posición Y.
- Coloca la resistencia desconocida en la posición X.
- Ajuste el contacto D a lo largo del cable del puente EF para anular el galvanómetro. Esta posición (como porcentaje de la distancia de E a F) es ℓ 1 .
- Intercambia X e Y. Ajusta D al nuevo punto nulo. Esta posición es ℓ 2 .
- Si la resistencia del cable por porcentaje es σ , entonces la diferencia de resistencia es la resistencia de la longitud del cable puente entre ℓ 1 y ℓ 2 :
Para medir una resistencia desconocida baja X , reemplace Y con una barra de bus de cobre que se puede suponer que es de resistencia cero.
En el uso práctico, cuando el puente está desequilibrado, el galvanómetro se desvía con una resistencia baja para evitar que se queme. Solo se utiliza con la máxima sensibilidad cuando la medición anticipada está cerca del punto nulo.
Para medir σ [ editar ]
Para medir la resistencia unitaria del cable de puente EF, coloque una resistencia conocida (p. Ej., Una resistencia estándar de 1 ohmio) que sea menor que la del cable como X, y una barra de distribución de cobre de resistencia supuestamente cero como Y.
Teoría [ editar ]
Dos resistencias a comparar, X e Y, están conectadas en serie con el cable puente. Por lo tanto, consideradas como un puente de Wheatstone, las dos resistencias son X más una longitud de cable de puente e Y más el cable de puente restante. Los dos brazos restantes son las resistencias casi iguales P y Q, conectadas en los huecos internos del puente.
Sea ℓ 1 el punto nulo D en el cable de puente EF en porcentaje. α es la resistencia extra desconocida del lado izquierdo EX y β es la resistencia extra desconocida del lado derecho FY, y σ es la resistencia por ciento de longitud del cable puente:
y agrega 1 a cada lado:
- (ecuación 1)
Ahora swap X e Y. ℓ 2 es la nueva lectura de puntos nulos en porcentaje:
y agrega 1 a cada lado:
- (ecuación 2)
Las ecuaciones 1 y 2 tienen el mismo lado izquierdo y el mismo numerador en el lado derecho, lo que significa que el denominador en el lado derecho también debe ser igual:
Por lo tanto: la diferencia entre X e Y es la resistencia del cable del puente entre ℓ 1 y ℓ 2 .
El puente es más sensible cuando P, Q, X e Y son todos de magnitud comparable.
Los amplificadores CMOS son circuitos análogos ubicuos que se utilizan en computadoras, sistemas de audio, teléfonos inteligentes, cámaras, sistemas de telecomunicaciones, circuitos biomédicos y muchos otros sistemas, y su rendimiento tiene un gran impacto en las especificaciones generales de los sistemas. Toman su nombre del uso de MOSFET (Transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal) como opuesto a los transistores de unión bipolar (BJT). Los MOSFETS son más sencillos de fabricar y, por lo tanto, menos costosos que los amplificadores BJT , ya que proporcionan una transconductancia suficientemente alta para permitir el diseño de circuitos de muy alto rendimiento. En circuitos amplificadores CMOS de alto rendimiento , transistores.no solo se usan para amplificar la señal, sino que también se usan como cargas activas para lograr una mayor ganancia y oscilación de salida en comparación con las cargas resistivas. [1] [2] [3]
La tecnología CMOS se había introducido principalmente para diseñar circuitos digitales. En las últimas décadas, con el fin de mejorar la velocidad, el consumo de energía, el área requerida y otros aspectos de los circuitos integrados digitales (IC), el tamaño de la característica de los transistores MOSFET se ha reducido (la longitud mínima del canal de los transistores se reduce en las nuevas tecnologías CMOS). Este fenómeno predicho por Gordon Moore en 1975, que se llama ley de Moore , y establece que en aproximadamente cada 2 años, el número de transistores se duplica para la misma área de silicio de los circuitos integrados. El progreso en el diseño de circuitos de memoria es un ejemplo interesante para ver cómo el avance del proceso ha afectado el tamaño requerido y su rendimiento en las últimas décadas. En 1956, un disco duro de 5MB.(HDD) ponderado sobre un tono, [4] mientras que en estos días es muy común tener 50000 veces más capacidad con un peso de varias decenas de gramos. [5]
Si bien los circuitos integrados digitales se han beneficiado enormemente de la reducción del tamaño de la función, los amplificadores CMOS analógicos no han obtenido las ventajas correspondientes debido a las limitaciones intrínsecas impuestas por un diseño analógico, como la reducción de ganancia intrínseca de los transistores de canal corto, que afecta la ganancia general del amplificador. Las nuevas técnicas para lograr una mayor ganancia también crean nuevos problemas, como la estabilidad del amplificador para aplicaciones de circuito cerrado. A continuación, abordaremos ambos aspectos y resumiremos algunos métodos diferentes para superar estos problemas.
Reducción de ganancia intrínseca en tecnologías CMOS modernas [ editar ]
La ganancia máxima de un solo transistor MOSFET se llama ganancia intrínseca, y es igual a:
Cuál gm es la transconductancia y ro es la resistencia de salida del transistor. Como aproximación de primer orden, ro es directamente proporcional a la longitud del canal de los transistores. En un amplificador de una etapa, se puede aumentar la longitud del canal para obtener también una mayor resistencia y ganancia de salida. Pero, también aumentará la capacitancia parásita del transistor, lo que limitará el ancho de banda del amplificador. La longitud del canal de los transistores se hace más pequeño en las tecnologías CMOS modernas, y hace que el logro de una alta ganancia en el amplificador de una etapa sea muy difícil. Para lograr una alta ganancia, se han sugerido muchas técnicas en la literatura. [6] [7] [8] En las siguientes secciones, veremos brevemente las diferentes topologías de amplificadores y sus características.
Amplificadores de una etapa [ editar ]
Telescópico, Cascode plegado (FC) o FC de reciclaje (RFC) son los amplificadores de una etapa más comunes. Todas estas estructuras utilizan transistores como cargas activas para proporcionar una mayor resistencia de salida (= mayor ganancia) y una oscilación de salida. Amplificador telescópico, proporciona mayor ganancia (debido a una mayor resistencia de salida) y mayor ancho de banda (debido a un polo no dominante más pequeño en el nodo de código de casado). En contraste, tiene un swing de salida limitado y dificultad en la implementación del búfer de ganancia unitaria. Aunque FC tiene una ganancia y un ancho de banda más bajos, puede proporcionar una mayor oscilación de salida, lo que es una ventaja importante en las modernas tecnologías CMOS, donde se reduce la tensión de alimentación. Además, dado que el voltaje de CC de los nodos de entrada y salida puede estar al mismo nivel, es más adecuado para la implementación del búfer de ganancia unitaria. [3]FC se utiliza recientemente para implementar el integrador en una aplicación de sensor Bio-Nano. [9] [10] Además, se puede utilizar como una etapa en amplificadores de múltiples etapas. Como ejemplo, el FC se utiliza como la etapa de entrada de un amplificador de dos etapas en el diseño de un circuito de potenciostato , que consiste en medir las actividades neuronales o la detección de ADN. [11] También, se puede utilizar para realizar amplificador de transimpedancia (TIA). El TIA se puede usar en biosensores amperométricos para medir la corriente de las células o soluciones con el fin de definir las características de un dispositivo bajo prueba [12] En la última década, el diseñador de circuitos ha propuesto diferentes versiones modificadas del circuito FC. RFC es una de las versiones modificadas del amplificador FC, que proporciona mayor ganancia, mayor ancho de banda y también mayor velocidad de giro en comparación con FC (para el mismo consumo de energía). [13] Recientemente, el amplificador RFC se ha utilizado en una matriz de sensores de grafeno CMOS híbrido para la medición de dopamina por debajo del segundo . [14] Se utiliza como un amplificador de bajo ruido para implementar integrador.
Estabilidad [ editar ]
En muchas aplicaciones, el amplificador acciona el condensador como una carga. En algunas aplicaciones, como los circuitos de capacitores conmutados , el valor de la carga capacitiva cambia en diferentes ciclos. Por lo tanto, afectará la constante de tiempo del nodo de salida y la respuesta de frecuencia del amplificador. El comportamiento estable del amplificador para todas las posibles cargas capacitivas es necesario, y el diseñador debe considerar este problema durante el diseño del circuito. El diseñador debe asegurarse de que el margen de fase (PM) del circuito sea suficiente para el peor de los casos. Para tener un comportamiento adecuado del circuito y una respuesta de tiempo, los diseñadores generalmente consideran PM de 60 grados. para valores más altos de PM, el circuito será más estable, pero tomará más tiempo para que el voltaje de salida alcance su valor final.[1] [2] [3] En los amplificadores telescópicos y FC, el polo dominante está ubicado en los nodos de salida. Además, hay un polo no dominante en el nodo de cascode. [3] Dado que la carga capacitiva está conectada a los nodos de salida, su valor afectará la ubicación del polo dominante. Esta figura muestra cómo la carga capacitiva afecta la ubicación del polo dominante (W1) y la estabilidad. El aumento de la carga capacitiva, moverá el polo dominante hacia el origen, y como la frecuencia de ganancia unitaria (Wunity) es Av (la ganancia del amplificador) multiplicada por W1, también se moverá hacia el origen. Por lo tanto, PM aumentará, lo que mejora la estabilidad. Entonces, si aseguramos la estabilidad de un circuito para una carga capacitiva mínima, permanecerá estable para valores de carga más grandes. [2] [3] Para lograr más de 60 grados PM, el polo no dominante (W2) debe ser mayor que 1.7 veces de Wunity.
Amplificadores Multi-Etapa [ editar ]
En algunas aplicaciones, como los filtros o integradores de capacitores conmutados, y los diferentes tipos de convertidores analógico a digital , se necesita una alta ganancia (70-80 dB), y lograr la ganancia requerida a veces es imposible con los amplificadores de una etapa. [6] Esto es más serio en las tecnologías CMOS modernas, ya que los transistores tienen menor resistencia de salida debido a la menor longitud del canal. Con el fin de lograr una alta ganancia y un alto rendimiento de salida, se han inventado amplificadores de múltiples etapas. Para implementar un amplificador de dos etapas, se puede usar un amplificador FC como la primera etapa y un amplificador de fuente común como la segunda etapa. Además, para implementar el amplificador de cuatro etapas, se pueden conectar en cascada 3 amplificadores de fuente común con el amplificador FC. [15]Cabe mencionar que para impulsar grandes cargas capacitivas o pequeñas cargas resistivas, la etapa de salida debe ser de clase AB. [2] Por ejemplo, un amplificador de fuente común con comportamiento de clase AB se puede usar como etapa final en un amplificador de tres etapas para no solo mejorar la capacidad del variador, sino también la ganancia. [16] El amplificador de clase AB se puede utilizar como controlador de columna en las pantallas LCD . [17]
Estabilidad en amplificadores de dos etapas [ editar ]
A diferencia de los amplificadores de una etapa, los amplificadores de varias etapas generalmente tienen 3 o más polos y, si se usan en redes de retroalimentación, el sistema de circuito cerrado probablemente será inestable. Para tener un comportamiento estable en los amplificadores de varias etapas, es necesario utilizar una red de compensación. El objetivo principal de la red de compensación es modificar la función de transferencia del sistema de tal manera que se logre suficiente PM. [2] [3] Entonces, mediante el uso de la red de compensación, deberíamos obtener una respuesta de frecuencia similar a la que mostramos para los amplificadores de una etapa. En los amplificadores de una etapa, la carga capacitiva está conectada al nodo de salida cuyo polo dominante ocurre allí, y al aumentar su valor, mejora la PM. [3]Por lo tanto, actúa como un condensador de compensación (red). Para compensar los amplificadores de varias etapas, el condensador de compensación se usa generalmente para mover el polo dominante a una frecuencia más baja con el fin de alcanzar suficiente PM.
La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de un amplificador de dos etapas en modos totalmente diferenciales y de terminación única. En un amplificador de dos etapas, la etapa de entrada puede ser un amplificador telescópico o FC. Para la segunda etapa, un amplificador de fuente común con carga activa es una opción común. Dado que la resistencia de salida de la primera etapa es mucho mayor que la segunda etapa, el polo dominante está en la salida de la primera etapa. Sin compensación, el amplificador es inestable o al menos no tiene suficiente PM. Es importante mencionar que la capacidad de carga se conectará a la salida de la segunda etapa, donde el polo no dominante ocurre allí. Por lo tanto, a diferencia de los amplificadores de una etapa, el aumento de la carga capacitiva, moverá el polo no dominante a una frecuencia más baja y deteriorará el PM. [3]Mesri et al. Se sugieren amplificadores de dos etapas que se comportan como amplificadores de una etapa, y los amplificadores se mantienen estables para valores más grandes de cargas capacitivas. [6] [7] Para tener un comportamiento adecuado, necesitamos compensar los amplificadores de dos etapas o de múltiples etapas. La forma más sencilla de compensar el amplificador de dos etapas, como se muestra en el diagrama de bloque izquierdo de la siguiente figura, es conectar el condensador de compensación en la salida de la primera etapa y mover el polo dominante a las frecuencias más bajas. Pero, la realización del condensador en el chip de silicio requiere un área considerable. El método de compensación más común en los amplificadores de dos etapas es la compensación de Miller (diagrama de bloques del medio en la siguiente figura. [2] [3] [8]En este método, un condensador de compensación se coloca entre el nodo de entrada y salida de la segunda etapa. En este caso, aparecerá el condensador de compensación 1+ | Av2 | veces mayor en la salida de la primera etapa, y empujará el polo dominante así como la frecuencia de ganancia unitaria a frecuencias más bajas. Por otra parte, debido a la división de polosEfecto, también moverá el polo no dominante a frecuencias más altas. Por lo tanto, es un buen candidato para hacer estable el amplificador. La principal ventaja del método de compensación de Miller es que reduce el tamaño del condensador de compensación requerido en un factor de 1+ | Av2 |. El problema que surge del condensador de compensación de Miller es la introducción del cero en el semiplano derecho (RHP), lo que reduce la PM. Con suerte, diferentes métodos han sugerido para resolver este problema. Como ejemplo, para cancelar el efecto de RHP cero, la resistencia de anulación se puede usar en serie con un condensador de compensación (diagrama de bloques a la derecha de la figura de abajo). Con base en el valor de la resistencia, podemos empujar RHP de cero a una frecuencia más alta (para cancelar su efecto en PM), o moverlo a LHP (para mejorar PM), o incluso eliminar el primer polo no dominante para mejorar el ancho de banda y PM.[11]Debido a la variación del proceso, el valor de la resistencia puede cambiar más del 10% y, por lo tanto, afecta la estabilidad. El uso de búfer de corriente o búfer de voltaje en serie con condensador de compensación es otra opción para obtener mejores resultados. [2] [3] [8]
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