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Amplificadores com feedback de corrente X feedback de tensão (ART710)

O que é melhor num projeto analógico que utilize amplificadores operacionais: usar um amplificador com feedback de corrente ou um amplificador com feedback de tensão. O que ocorre é que nas aplicações comuns as diferenças não ficam evidentes, o que pode causar alguma confusão entre os projetistas, no entanto existem aplicações em que um tipo é mais vantajoso que outro. Para saber que tipo usar é preciso conhecer as diferenças. Veja neste artigo, que é uma adaptação ao Application Note OA-30 da National, quais são as principais diferenças entre esses dois tipos de amplificadores e quando cada um deve ser usado. O Application Note da National não é novo, sendo válido seu conteúdo básico, mas nesta revisão de 2012 existem algumas observações que mudam alguma coisa. Uma delas é o fato da National Semiconduictor ser agora uma empresa do grupo Texas Instruments, assim eventuais consultas sobre esteb tema devem ser feitas agora à Texas Instruments.

Para facilitar nossas explicações vamos chamar os amplificadores que possuam realimentação de corrente ou feedback de corrente pela sua sigla em inglês CFB (Current Feedback) enquanto que aqueles que possuem feedback de tensão serão abreviados por VFB (Voltage Feedback).

Assim, para entender as diferenças devemos fazer um estudo separados das principais características de cada um. Começamos então pelos amplificadores VFB. Eles oferecem ao projetista condições de:

* Menor nível de ruído

* Melhor performance em DC

* Liberdade de feedback

 

Por outro lado, os amplificadores CFB possuem as seguintes características que se destacam:

* Taxas de crescimento (Slew Rate) mais rápidas

* Menor distorção

* Restrições de feedback

 

Para que o projetista saiba qual topologia escolher será importante comparar algumas características dos dois tipos de amplificadores. Essas características são:

* Características com realimentação (closed loop)

* Características sem realimentação (open loop)

* Vantagens e desvantagens das etapas de entrada

 

Analisando essas características veremos porque os amplificadores VFB possuem melhor desempenho em DC e porque os amplificadores CFB possuem larguras de banda maiores para a mesma potência e melhor performance de fase em faixas mais largas. Também será possível perceber porque os amplificadores CFB têm melhores características em termos de distorção e taxas de crescimento.

 

Características em Com Realimentação ou Laço Fechado (Closed Loop)

Para um amplificador operacional na sua configuração típica as conexões dos resistores que determinam o ganho para a configuração não inversora e inversora são mostradas na figura 1, assim como a equação que determina os ganhos.

 

Montagens típicas dos amplificadores não inversor e inversor
Montagens típicas dos amplificadores não inversor e inversor

 

Essas configurações são válidas tanto para os amplificadores VFB como CFB. A diferença está no fato de que nos amplificadores CFB os resistores de realimentação possuem valores limitados. As folhas de dados desses amplificadores fornecem os valores máximos recomendados para esses resistores.

Essas funções de transferência são válidas para um amplificador ideal. Nas condições ideais, o ganho sem realimentação de um amplificador VFB e o ganho de transimpedância de um amplificador CFB são infinitos.

Assim, podemos escrever as funções de transferência ideais para a configuração não inversora da seguinte forma:

Vn/Rg = (Vo - Vn)/Rf

Vo/Vin = Rf x Rg/Rg

Vo/Vn = 1 + R1/R2

Ou

G = (Rf + Rg)/Rg

Vo - Vn x G

 

A tensão de saída é, portanto dada pela tensão de entrada multiplicada pelo ganho.

 

Características sem Realimentação dos Amplificadores VFB (Open Loop)

A principal diferença entre os amplificadores VFB e CFB começa a se manifestar quando tentamos comparar suas características sem realimentação. Para entendermos o que ocorre podemos usar a figura 2 como ponto de partida para uma análise.

 

Esquema inicial para análise dos VFBs.
Esquema inicial para análise dos VFBs.

 

As principais características desta configuração para um amplificador ideal são:

- A impedância de entrada na configuração inversora e não inversora é infinita

- A impedância de saída é nula.

 

A saída desses amplificadores consiste numa fonte de tensão que é controlada pela diferença de potencial entre os dois terminais de entrada. Isso também pode ser denominado "tensão de erro" (Vd = V1 - V2). A saída é igual à esta tensão de erro multiplicada pelo ganho do amplificador sem realimentação (open loop).

 

Produto Ganho x Faixa Passante (Gain Bandwidth Product)

Em relação a um amplificador não inversor, como o que mostramos na figura 1, o ganho de um amplificador não ideal é finito. Isso significa que o ganho pode ser dado por:

 

Vo = V x [G/(1-G/A(s))] (1)

 

onde se A >> G o denominador se torna 1 e o ganho do amplificador tende a infinito).

 

No amplificador real, o ganho DC é elevado, caindo numa razão de 6 dB por oitava quando a freqüência aumenta, isso de uma forma mais ou menos constante na faixa de operação. Quando a freqüência aumenta, o valor de A(s) diminui. Quando A(s) = G o ganho médio do circuito será metade do seu ganho DC.

Isso é comumente referido como a faixa passante a - 3dB do amplificador. A taxa em que a faixa passante diminui é proporcional a 1/G. Para a maior parte da faixa de freqüências, o produto do ganho pela faixa passante se torna constante.

Por este motivo é comum especificar o produto ganho-faixa passante de um amplificador como sua característica de amplificação em função das diversas freqüencia dos sinais. A sigla adotada costuma ser GPB (Gain-bandwidth product).

As características de GPB impedem que os amplificadores VFB tenham alto ganho e amplas faixas passantes ao mesmo tempo. A figura 3 mostra o que ocorre na forma de um gráfico. Lembramos que diversos artigos no nosso site abordam este tema, inclusive nosso Curso de Eletrônoca- Vol 2 - Eletrônica Analógica.

 

Característica Ganho X Faixa passante.
Característica Ganho X Faixa passante.

 

Características de Ganho sem Realimentação dos CFB (Open Loop)

Para entender o que ocorre com esses amplificadores podemos partir do circuito equivalente mostrado na figura 4.

 

Esquema inicial para análise dos CFBs.
Esquema inicial para análise dos CFBs.

 

Existe um buffer de ganho unitário entre as duas entradas de um amplificador CFB. Em condições ideais, esse buffer tem uma impedância de entrada infinita e uma impedância de saída nula. Com isso, as características sem realimentação para um amplificador desse tipo ideal são:

* Impedância de entrada infinita na configuração sem realimentação.

* Impedância de entrada nula na configuração inversora.

* Impedância de saída nula.

 

A saída é uma fonte de tensão controlada pela corrente de erro da saída que corresponde a entrada inversora. Uma vez que a rede de realimentação seja fechada, o feedback faz com que uma corrente de erro seja levada a zero, e então a corrente de feedback também.

 

Independência da Faixa Passante

Os amplificadores CFB se caracterizam pela sua independência no que se refere ao ganho x faixa passante. O motivo disso pode ser entendido quando se analisa a função de transferência da configuração não inversora. A função de transferência é dada por:

 

Função
Função

 

A função de transferência de um CFB parece semelhante a de um VFB. Quando Z se torna muito maior que R então o amplificador se aproxima do comportamento ideal. Quando Z(s) cai até o ponto em que se torna igual a Rf, então o ganho cai para metade do ganho em DC.

Isso é bem, diferente do que ocorre com um VFB quando o ganho é determinado tanto por Rf como Rg. Para os amplificadores CFB, se o ganho é aumentado pela redução do valor de Rg, em lugar de se aumentar Rf, então a banda passante passa a ser independente do ganho.

Esta expressão mostra a importância de Rf para os amplificadores CFB. As folhas de dados dos CFB fornecem os valores de Rf recomendados para diversas faixas de ganhos. Um Rf muito grande ou muito pequeno pode comprometer a estabilidade. Por este motivo o resistor de feedback Rf pode ser usado para ajustar a resposta de freqüência.

Como regra geral, se o valor recomendado de Rf é dobrado, a faixa passante será cortada pela metade.

 

Topologia Interna dos VFB

Observando as características sem realimentação das topologias dos dois tipos de amplificadores, as diferenças começam a ser mais perceptíveis. Entretanto, uma análise mais detida das etapas de entrada mostra diferenças ainda maiores entre os VFB e CFB.

Um amplificador VFB típico tem uma etapa de entrada como a mostrada na figura 5.

 

Etapa de entrada de um amplificador VEB.
Etapa de entrada de um amplificador VEB.

 

Os amplificadores VFB possuem características DC melhores do que a dos amplificadores CFB. Dentre as características dos amplificadores VFB destacamos:

* Baixa tensão de offset de entrada

* Correntes de polarização de entrada casadas

* Alta relação de rejeição de fonte

* Rejeição em modo comum boa

 

Uma análise da estrutura das etapas de entrada das duas topologias explica as vantagens dos VFB em operação DC.

A estrutura da etapa de entrada de um VFB é a razão para esse desempenho. A etapa de entrada usa um único par diferencial com dois transistores bipolares que operam com a mesma tensão e corrente de polarização. Esta configuração também é chamada de "circuito balanceado" dada a simetria entre as duas entradas. Devido a esta simetria, não existem tensões de offset a não ser que os dispositivos não sejam casados.

As entradas são as bases dos dois transistores. Apesar das correntes de base poderem variar consideravelmente devido a processos de fugas e temperatura, novamente a não ser que os dispositivos não sejam casados, as correntes de polarização permanecem iguais numa ampla faixa de condições de operação.

Quando tanto a tensão de alimentação, ou a tensão da entrada em modo comum são alteradas, a variação nas tensões coletor-emissor dos transistores é igual para os dois transistores, pois eles são casados. Outras variações que podem ocorre também afetam os dois transistores da mesma forma, mantendo a tensão de offset baixa. Isso resulta numa boa CMRR e PSRR.

 

Topologia interna do CFB

A etapa de entrada de um amplificador CFB também permite associar algumas características importantes:

A etapa de entrada de um amplificador deste tipo é mostrada na figura 6.

 

Etapa de entrada de um amplificador CFB.
Etapa de entrada de um amplificador CFB.

 

O que temos é um buffer de tensão. Para a tensão de offset ser zero, a tensão de entrada nos transistores NPN deve ser casada com Vcc do transistor PNP.

Como esses dispositivos são construídos de forma diferente, não podemos esperar que eles possuam características casadas. A corrente de polarização não inversora é a diferença entre as duas correntes de base o que significa que a corrente de polarização de base depende de erros que ocorram no estágio seguinte.

 

Vantagens da Topologia CFB

Uma vantagem esquecida dos CFB é que eles normalmente precisam de menos estágios internos de ganho do que os equivalentes VFB. Também, os CFB consistem meramente de um buffer de entrada, uma etapa de ganho e um buffer de saída. Com menos estágios, temos menor retardo dos sinais no circuito sem realimentação. Isso se traduz em uma faixa passante mais ampla.

 

Topologia básica de um amplificador CFB.
Topologia básica de um amplificador CFB.

 

A topologia básica de um CFB mostrada na figura 7 tem uma única etapa de amplificação. O único nodo de alta impedância deste circuito é na entrada para o bufffer de saída. Os amplificadores VFB normalmente exigem dois ou mais estágios para que tenham ganho suficiente. Essas etapas adicionais acrescentam um retardo ao sinal e levam a menores faixas passantes estáveis.

 

Distorção

A distorção de um amplificador é afetada pela distorção do ganho sem realimentação e a velocidade média no circuito com realimentação. A quantidade de distorção sem realimentação contribui menos para o desempenho de um amplificador CFB devido a simetria básica desta topologia.

Tomando novamente o circuito da figura 7, vemos que para cada transistor NPN existe um complementar PNP.

A velocidade é outro fator importante que contribui para a distorção. Em muitas configurações, o amplificador CFB tem uma faixa mais ampla que o equivalente VFB. Isso significa que para uma determinada freqüência, a parte mais rápida tem maior ganho e com isso menor distorção.

 

Taxa de Crescimento

A performance em relação à taxa de crescimento também é melhorada pela topologia do CFB. Novamente, tomando como referência a figura 7, vemos que a taxa de crescimento é determinada pela relação com que os dois segundos transistores podem atuar sobre os capacitores de compensação Cc.

A corrente que pode ser fornecida por estes transistores é dinâmica e não é limitada a nenhum valor fixo como ocorre nas topologias VFB.

Com um sinal em degrau na entrada ou uma condição de sobrecarga, a corrente fluindo nos dois transistores e aumentada e a condição de sobre-excitação rapidamente eliminada.

Para a primeira ordem, não existe limite na taxa de crescimento para esta arquitetura. Alguns amplificadores VFB têm estruturas de entrada similares aos amplificadores CFB de modo a obter mais vantagem das possibilidades de uma taxa de crescimento mais alta. A combinação de faixas passantes mais altas e taxas de crescimento permite aos dispositivos CFB ter uma performance em relação a distorção respeitável enquanto operando com baixas potências.

A disponibilidade de amplificadores operacionais tanto nas topologias VFB como CFB permite aos projetistas selecionar o melhor amplificador para sua aplicação. Um amplificador CFB se encaixa numa aplicação que exige altas taxas de crescimento, baixa distorção ou a capacidade de se fixar o ganho e a faixa passante de forma independente.

Por outro lado, um amplificador VFB se encaixa nas aplicações onde baixas tensões de offset ou especificações de baixo ruído são necessárias.

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