Diseño analógico del amplificador: ¿cómo hacerlo de manera efectiva cuando la ganancia varía tanto?

Una opción que no se menciona es usar amplificadores de diferencia empaquetados o amplificadores de instrumentación, donde todas las resistencias internas se recortan de manera muy efectiva con alta precisión. Esto minimizó efectivamente el riesgo de resistencias no coincidentes, lo que realmente puede matar el rechazo del modo común (que a menudo es un problema mayor que las ganancias no exactas).

Si la ganancia de alta precisión es una necesidad real, un amplificador de instrumentación establece la ganancia utilizando solo una resistencia, y eso puede ser tan alta precisión como está dispuesto a pagar. Alternativamente, se puede utilizar una resistencia más baja y un potenciómetro para el ajuste

Si uno agrega retroalimentación negativa a un amplificador de tal manera que un amplificador de ganancia infinita tendría una ganancia de \ $ x \ $, pero la ganancia real del amplificador no es infinita, sino que es \ $ y \ $ Es probable que la ganancia del sistema sea del orden de:

$$ \ dfrac {1} {1 / x + 1 / y} $$

Puede ver que a medida que se aproxima \ $ y \ $, el término \ $ 1 / y \ $ desaparece y la ganancia es simplemente \ $ x \ $. Si \ $ y \ $ es grande en relación con \ $ x \ $, la ganancia neta no será muy similar a \ $ x \ $, pero incluso las grandes variaciones en \ $ y \ $ causarán solo pequeñas variaciones en la red ganancia.

Si se construye un amplificador con una señal de entrada adecuadamente polarizada que alimenta la base de un transistor NPN cuyo emisor está conectado a tierra mediante una resistencia y cuyo colector está conectado al riel positivo a través de otra resistencia, entonces la ganancia del "transistor ideal" sería igual a la relación de esos dos resistores, ya que el voltaje en el emisor rastrearía el voltaje en la base y la corriente a través del colector coincidiría con la corriente a través del emisor. Si los resistores fueran por ej. 1K y 10K, y luego aumentar el voltaje de base en 100 mV causaría que fluyan 100uA adicionales a través de la resistencia 1K, lo que a su vez provocaría que fluyeran 100uA adicionales a través de la resistencia de 10K, lo que provocaría una caída de voltios extra. p>

En la práctica, los transistores reales no se comportan como los transistores ideales, pero si los resistores se eligen para obtener una ganancia pequeña en relación con la beta del transistor, el efecto de la beta del transistor en el comportamiento de salida será relativamente leve .

Los amplificadores operacionales llevan este concepto más allá, al usar combinaciones en cascada de transistores para obtener una ganancia inherente que es lo suficientemente alta como para que las variaciones en ella no sean un factor. Los niveles muy altos de ganancia a menudo hacen necesario que los amplificadores operacionales introduzcan una retroalimentación negativa interna de alta frecuencia que atenuará artificialmente la ganancia para evitar oscilaciones no deseadas; Dependiendo de los componentes particulares que uno esté usando, tales limitaciones pueden caracterizarse de manera estricta, pero a menos que esté usando un amplificador operacional cerca de los límites de su rendimiento, generalmente no importarán demasiado.

Si la ganancia correcta es importante en PVT (Procesos, variaciones de voltaje y temperatura), los controles ópticos con retroalimentación negativa son críticos. No es la única solución, pero es la solución más utilizada y más fácil de entender.

Por lo general, confiar en la ganancia de bucle abierto de opamps, o en los diversos parámetros de los transistores, no es un motor de arranque, a menos que termines haciendo algunos cambios analógicos o reinventes los comentarios negativos.

La clave para hacer que los amplificadores funcionen es la retroalimentación negativa. Como anotó en su pregunta, la ganancia de bucle abierto no es un parámetro "bueno" porque varía demasiado. Sin embargo, la ganancia de bucle abierto de la mayoría de los amplificadores operacionales es demasiado alta para ser utilizable de todos modos. Por una feliz coincidencia, ambos problemas se pueden resolver con retroalimentación negativa.

En el siguiente esquema, el amplificador operacional se configura en una configuración de inversión (lo que significa que la salida se vuelve más negativa a medida que la entrada se vuelve más positiva) con retroalimentación negativa para producir una ganancia de voltaje de 100: R2 y R5 un divisor de voltaje entre la salida y la entrada, y la entrada de inversión del op-amp se toma de la salida del divisor. Tenga en cuenta que la ganancia de este circuito depende casi exclusivamente de los valores de R2 y R5. Los valores de todos los demás componentes tienen un efecto muy pequeño en la ganancia. Si se necesita una salida positiva, o más ganancia, se puede conectar una segunda etapa de amplificador inversor a la salida de la primera.

En tu pregunta, indicas

  

la ganancia es una función directa de los valores de las resistencias (¡que varían en gran medida!)

No estoy del todo seguro de lo que quieres decir con esto, pero creo que hay dos posibilidades:

1. Que los valores de las resistencias de realimentación varían y que esto afectará la ganancia del amplificador.
2. Que el valor de su resistencia shunt actual (el transductor) variará, y que esto afectará la ganancia del amplificador.

En el primer caso, no creo que diga que incluso las resistencias baratas tienen una gran variación, pero tal vez su aplicación sea diferente, y necesita una estabilidad de la ganancia medida en partes por millón. Si necesita tal ganancia estable, sugeriría leer algunas de las notas de la aplicación de Jim Williams publicadas por Linear Devices (linear.com), que contienen mucha información útil sobre cómo hacer amplificadores de ganancia estable. Linear también fabrica algunos componentes (el famoso amplificador operacional LTC1052, por ejemplo) que tienen un coeficiente de temperatura y un coeficiente de voltaje de alimentación muy pequeños. También hacen resistencias emparejadas (coinciden con más de 25 partes por millón, dependiendo de cuánto estés dispuesto a pagar) en un chip.

En el segundo caso, creo que no estás entendiendo la red de retroalimentación negativa. Siempre que la impedancia de salida del transductor sea "mucho" menor que la impedancia de entrada del amplificador, la ganancia del amplificador no depende de la impedancia del transductor. En este caso, el amplificador tiene una impedancia de entrada de al menos 10k Ohmios, y el transductor ciertamente tiene una impedancia menor que un Ohmio (tenga en cuenta que el valor de la resistencia en derivación actual no es lo mismo que la impedancia del transductor). Este factor de diferencia de 10,000 ciertamente califica como "mucho" mayor.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}