ganancia, ancho de banda y GBWP de convertidor de corriente a voltaje con amplificador operacional

El GBWP para la configuración se mantiene constante. Esto significa que reducir la amplificación de bucle abierto de baja frecuencia mediante retroalimentación negativa aumenta el ancho de banda en un mismo factor (suponiendo que su configuración de bucle abierto tenga un solo polo, lo que significa una tasa de ganancia de cierre de 6dB / octava). Tenga cuidado con la unión correcta, no puede dividir el ancho de banda por el valor de resistencia y aún así tener ancho de banda.

Para calcular la ganancia de bucle cerrado, necesitará ambos valores de resistencia, como usted mismo lo indicó. Supongamos que la ganancia de bucle abierto es 10 ^ 6, entonces habrá un polo a 10Hz (GBWP = 10 Hz * 10 ^ 6 = 10 Mhz). Al reducir la ganancia a, por ejemplo, 100 cambia el polo a 100 kHz. (100 kHz * 100 = 10 MHz).

En su transactor de corriente a voltaje, parece que solo hay una resistencia. Hay otro, sin embargo, la impedancia de salida de su fuente de entrada. Ambas resistencias determinan la amplificación de voltaje (A = - Rsource / R). En efecto, el ancho de banda depende de su fuente de entrada.

También tenga en cuenta que la ganancia de ancho de banda del producto requiere la noción de ganancia unitaria. ¿Y cómo exactamente define la ganancia unitaria de un transactor de corriente a voltaje?

Casi universalmente, los OpAmps se compensan internamente con un polo de baja frecuencia. Esto significa que después de una frecuencia muy baja (alrededor de 1 Hz aproximadamente), la ganancia de bucle abierto caerá en 20dB por década de frecuencia. La frecuencia en la que la ganancia de bucle abierto cruza la unidad es el producto de ancho de banda de ganancia (GBWP). Esta es una constante virtual para el amplificador en todo su rango de frecuencia operativa debido a la velocidad a la que la ganancia cae con la frecuencia. GBWP es un concepto de modelo de pequeña frecuencia.

Al pensar en OpAmps en términos de un modelo de pequeña señal, el producto de ancho de banda de ganancia es solo una manera fácil de describir el ancho de banda útil de la ganancia de bucle abierto del amplificador. Las señales en el modelo de señal pequeña son muy pequeñas. Al igual que el trabajo virtual o el desplazamiento virtual en la mecánica, las pequeñas señales en la electrónica pueden ser muy pequeñas. Cuanto más cerca se encuentre la operación de los límites de rendimiento del amplificador, más pequeñas deben ser las señales reales para que los conceptos del modelo de pequeña señal sean válidos.

Al considerar las señales reales con amplitud, la velocidad de giro (SR) de un amplificador se vuelve más importante que el GBWP. En este caso, para un Amplificador de Impedancia Trans (TIA), convirtiendo la corriente a voltaje con una relación de conversión de 47kOhm, sería mejor mirar la SR requerida. Si la corriente de entrada fuera de 100uA pico, el voltaje de salida pico del OpAmp tendría que ser de 4.7V. La velocidad de giro para admitir una señal de 1 MHz de 4.7V de amplitud debería ser:

SR > 2 \ $ \ pi \ $ f \ $ V _ {\ text {pk}} \ $ = \ $ \ text {2 $ \ pi $ 1MHz 4.7V} \ $ o 29.5 \ $ \ frac {V} {\ text { $ \ mu $ Sec}} \ $

Un OpAmp con GBWP de 10MHz tendrá una SR de aproximadamente 20 \ $ \ frac {V} {\ text {$ \ mu $ Sec}} \ $, por lo que no podría admitir ni siquiera una corriente de 1MHz, 100uA a la conversión de voltaje.

En lo que respecta al ancho de banda disponible, lo que importa solo es LOOP GAIN (LG).

1.) Comenzando con el segundo circuito, tenemos un factor de retroalimentación k = R1 / (R1 + R2) y la ganancia del bucle es

LG = -k * Aol (Aol = ganancia de bucle abierto del opamp).

La ganancia de bucle cerrado es Acl = Aol / (1-LG) . Un opamp de compensación de ganancia unitaria tiene una ganancia de bucle abierto (paso bajo de primer orden) Aol = Ao / (1 + w / wo) .

El ancho de banda de bucle cerrado es idéntico a la frecuencia en la que la magnitud de ganancia del bucle es la unidad. Usando las ecuaciones dadas anteriormente, configurando | LG | = 1, y resolviendo para w obtenemos la nueva frecuencia de esquina 3dB w1 (ancho de banda) para la ganancia de bucle cerrado Acl: w1 = wo (Ao * k-1) .

Si se descuida el "1" y se configura 1 / k = Acl (no inversor), el resultado final es

Acl * w1 = Aowo

(tiempos de ganancia de bucle cerrado BW de bucle cerrado = tiempos de ganancia de bucle abierto BW de bucle abierto). Tenga en cuenta que los VALORES de la resistencia no son importantes porque solo la RELACIÓN de la resistencia determina el factor de realimentación k.

2.) Respecto al primer circuito, la ganancia del bucle es LG = Aol (porque la resistencia interna de la fuente de corriente es infinita, lo que da k = 1) . Por lo tanto, el ancho de banda de señal pequeña es idéntico a la frecuencia donde LG = Aol = 0dB . Por lo tanto, la frecuencia de tránsito (GBW) del opamp es el ancho de banda disponible en bucle cerrado para el convertidor de corriente a voltaje.

ACTUALIZACIÓN : las consideraciones anteriores se aplican solo al ancho de banda de señal pequeña. Por supuesto, en algunos casos el ancho de banda de la señal grande (velocidad de respuesta) será el factor limitante (como se describe en otra respuesta).