¿Cómo estabilizar el voltaje común de salida en amplificadores operacionales de salida diferencial?

El diseño de circuitos con amplificadores operacionales (op-amps) de salida diferencial se ve influenciado por la necesidad de estabilizar el voltaje común de salida. Esta estabilización es fundamental para garantizar el rendimiento óptimo de los sistemas electrónicos, especialmente en circuitos con requerimientos estrictos de ruido y distorsión.

El circuito de retroalimentación comúnmente utilizado en este tipo de configuraciones incluye transistores adicionales como M16, M18, M17 y M19, los cuales se conectan a las cascadas diferenciales. Estos transistores tienen un efecto sobre la ganancia de voltaje diferencial, disminuyéndola ligeramente, lo cual debe ser considerado en el análisis del sistema. No obstante, el comportamiento predominante en el circuito es determinado por el polo dominante del amplificador operacional de salida diferencial, cuya estabilidad de voltaje común es crucial para evitar fluctuaciones no deseadas.

En algunos casos, la estabilización del voltaje común de salida puede lograrse mediante el uso de circuitos externos. Este enfoque es especialmente valioso en circuitos de condensadores conmutados, donde el amplificador operacional se utiliza únicamente durante la fase 𝜙2. Durante esta fase, el terminal CMbias controla el voltaje común de salida al determinar el valor de 𝑉𝑜𝑐𝑚, el cual es cargado en los condensadores Ccm. A lo largo de la fase 𝜙1, estos condensadores, previamente cargados, se conectan entre las salidas diferenciales y el nodo CMbias, asegurando que el voltaje promedio aplicado a CMbias se mantenga constante.

En este contexto, el voltaje común de salida, Vocm, se ajusta automáticamente durante la fase de ajuste de voltaje común. El sistema está diseñado para garantizar que el voltaje de salida diferencial no cause cambios en el valor promedio de Vocm, lo cual permite mantener la estabilidad en el desempeño del amplificador. Este método es eficiente incluso en presencia de un voltaje diferencial aplicado a las salidas, ya que la retroalimentación actúa para ajustar el valor de Vocm sin necesidad de modificaciones adicionales.

Es importante destacar que este tipo de estabilización puede ser necesario en aplicaciones donde los rangos de voltaje de los amplificadores operacionales de salida diferencial son limitados debido a fuentes de voltaje bajas. Para maximizar el rango de señal, es crucial establecer el voltaje común de salida de forma precisa, ya que un valor incorrecto podría reducir el margen de señal disponible y afectar negativamente el rendimiento global del sistema.

En circuitos de tiempo discreto, la estabilización del voltaje común debe tener en cuenta la transferencia de carga durante la operación de los conmutadores. Este fenómeno puede generar errores, que, sin embargo, pueden ser corregidos mediante simulaciones previas y la aplicación de una señal de corrección adicional, superpuesta al error generado durante la estabilización.

Finalmente, es fundamental recordar que la estabilización del voltaje común de salida es solo un aspecto de un diseño integral. La correcta selección y dimensionamiento de los componentes del circuito, la gestión de la carga, y el ajuste preciso de las fases de operación son factores clave para lograr el rendimiento deseado en aplicaciones de amplificación de alto rendimiento.

¿Cómo influye el voltaje de saturación de los transistores MOSFET en el rendimiento de un amplificador inversor activo con carga resistiva?

Cuando se consideran las ecuaciones del circuito, como las que describen la corriente a través de los transistores M1 y M2, se observa que el voltaje de salida, $v_{OUT}$, depende directamente de los parámetros de los transistores y de la configuración de la carga activa. A través de la ecuación (5.1-3) y (5.1-4), se puede derivar una expresión que describe cómo el voltaje de salida cambia con respecto a los voltajes de entrada, con la condición de que el máximo valor de $v_{IN}$ es igual a $V_{DD}$. Este análisis resulta crucial para comprender las limitaciones del amplificador, especialmente la forma en que el voltaje de salida no puede alcanzar un valor mínimo de tierra debido a la caída de voltaje necesaria en M2 para que circule la corriente a través de M1.

La relación entre la corriente de drenaje y el voltaje de saturación de M1 y M2 determina, por lo tanto, los límites del voltaje de salida. El voltaje mínimo de salida no puede ser igual a cero porque M2 requiere una caída de voltaje para permitir que M1 conduzca corriente. Esto establece el límite inferior del voltaje de salida, lo que hace que el diseño de amplificadores de este tipo sea especialmente interesante cuando se desea evitar que el voltaje se reduzca a un nivel que pondría en riesgo la operación del circuito.

El análisis del comportamiento frecuencial de un inversor activo con carga resistiva es igualmente relevante, especialmente cuando se busca maximizar el ancho de banda del amplificador. La respuesta en frecuencia se ve influida por las capacitancias parasitarias, como las capacitancias de puerta a drenaje ($C_{gd1}$, $C_{gd2}$) y de puerta a sustrato ($C_{gs2}$), que alteran el comportamiento del circuito en altas frecuencias. Al analizar la respuesta en frecuencia, se determina que el amplificador tiene un cero en el plano derecho y un polo en el plano izquierdo, lo que afecta la forma de la respuesta del sistema.

La forma de calcular los límites del voltaje de salida y el rendimiento del amplificador a pequeña señal se puede ilustrar con ejemplos prácticos, como el cálculo de la ganancia y la resistencia de salida usando parámetros como las dimensiones de los transistores y las capacitancias parasitarias. Por ejemplo, si se toman valores específicos para las dimensiones de los transistores, las capacitancias y las corrientes de drenaje, es posible obtener valores numéricos para la ganancia de voltaje y la frecuencia de corte, lo que permite a los diseñadores verificar el rendimiento del amplificador en condiciones reales.

Es crucial también entender que, en la práctica, las condiciones de operación de los transistores (como la región de saturación) y la forma en que las capacitancias parasitarias afectan la respuesta en frecuencia deben ser cuidadosamente consideradas. La correcta elección de los parámetros de diseño, como las transconductancias y las resistencias de salida, influye directamente en la eficiencia del amplificador, especialmente en aplicaciones donde el ancho de banda y la estabilidad son factores decisivos.