Seleccionar el amplificador adecuado

Ya se trate de interfaces de sensores de baja potencia, adquisición de datos a alta velocidad o instrumentación de precisión, el amplificador que elija puede influir significativamente en la capacidad de su sistema para mantener la integridad de la señal y el rendimiento general.
Con una amplia gama de tipos de amplificadores y arquitecturas disponibles, es fundamental saber cómo seleccionar el más adecuado para su aplicación.

Reto: Equilibrar versatilidad y coste con amplificadores de uso general

Un reto frecuente para los diseñadores consiste en encontrar componentes que ofrezcan suficiente flexibilidad y rentabilidad para una amplia gama de tareas de acondicionamiento de señales, sobre todo cuando la precisión ultraalta no es el requisito principal. Este suele ser el caso de los circuitos básicos de acondicionamiento de señales, diversos subsistemas de automoción y dispositivos alimentados por baterías.

Los amplificadores operacionales de propósito general (op-amps) están diseñados específicamente para resolver este problema ofreciendo un rendimiento fiable con un bajo consumo de energía, lo que los convierte en una excelente opción para proyectos en los que la flexibilidad y la rentabilidad son prioritarias. Algunos ejemplos son dispositivos como el LM358 basado en PMOS, que son dispositivos bipolares bien establecidos que han demostrado su valor duradero en la industria durante muchas décadas. Un ejemplo de amplificador CMOS de propósito general es el NCS20072, disponible en una gran variedad de encapsulados compactos.

Desafío: Superar los retos de precisión y estabilidad con amplificadores de deriva cero

En aplicaciones en las que incluso errores minúsculos pueden tener consecuencias significativas, los diseñadores se enfrentan al reto crítico de mantener una precisión y estabilidad excepcionalmente altas en amplios rangos de temperatura y periodos de funcionamiento prolongados. Esto es especialmente importante en campos como los dispositivos médicos, la instrumentación industrial, las aplicaciones IoT y los sistemas de retroalimentación de control de motores.

Para satisfacer estas estrictas exigencias, las categorías de amplificadores especializados ofrecen soluciones:

Amplificadores de deriva cero

Uno de los principales retos es la deriva inherente de la tensión de offset debida a las variaciones de temperatura y al envejecimiento. Las arquitecturas de deriva cero, presentes en dispositivos como el NCS21911, están diseñadas para contrarrestar esta deriva, manteniendo la precisión y la estabilidad a largo plazo independientemente de las fluctuaciones ambientales.

Estos amplificadores suelen incorporar funciones como entrada y salida de carril a carril y baja corriente de reposo, que mejoran aún más la precisión y la eficiencia energética en aplicaciones exigentes. Además, una excelente relación de rechazo de modo común (CMRR) es una característica crucial, ya que suprime eficazmente el ruido de modo común no deseado, que es vital cuando se interconecta con convertidores analógico-digitales (ADC) para una adquisición de datos superior. La CMRR típica del NCS21911 es de 130 dB a 4 V.

Desafío: Supervisión precisa de la corriente en sistemas de alimentación dinámicos

La monitorización precisa de la corriente plantea un conjunto único de retos en diversas aplicaciones, como la gestión de energía, los sistemas alimentados por batería (como smartphones, ordenadores portátiles y vehículos eléctricos) y el diagnóstico de seguridad en automoción. Los diseñadores necesitan soluciones capaces de medir con precisión la corriente en una amplia gama de tensiones en modo común y, al mismo tiempo, minimizar la disipación de energía y los costes de la lista de materiales.

Los amplificadores sensibles a la corriente se han desarrollado específicamente para afrontar estos retos:

Amplio rango de tensión en modo común

Un obstáculo importante es la medición de corriente en configuraciones de lado alto, en las que la resistencia de derivación no está referenciada a tierra. Esto requiere amplificadores capaces de manejar grandes tensiones de entrada en modo común, a menudo de hasta 40 V en algunos modelos o incluso de 80 V en otros, como el NCS7031 o NCV7031 (automoción) y el NCS7041 o NCV7041 (automoción). Esta capacidad es esencial para la detección de corriente tanto en el lado alto como en el bajo, lo que proporciona flexibilidad de diseño y permite la detección de cortocircuitos de carga en aplicaciones de lado alto.

Alta precisión y baja desviación

La precisión en la medición de corriente es primordial. Estos amplificadores suelen presentar tensiones de offset muy bajas (por ejemplo, ±12 µV como máximo para la plataforma Treo y arquitecturas de deriva cero), lo que garantiza lecturas precisas incluso con caídas de tensión mínimas en las resistencias de derivación. Esta elección de diseño ayuda a minimizar la pérdida de potencia de la derivación al tiempo que mantiene la integridad de la medición.

Integración y rentabilidad

La continua demanda de reducir el espacio de la placa y los costes de la lista de materiales es fundamental. Algunas soluciones de amplificadores de detección de corriente integran resistencias de ajuste de ganancia, lo que simplifica el diseño y reduce el número de componentes externos. Por ejemplo, dispositivos como el NCS214R y el NCS(V)2167x ofrecen esta función. Además, estos dispositivos pueden admitir detección de corriente unidireccional o bidireccional, lo que resulta crucial para aplicaciones como cargadores de baterías en las que el flujo de corriente puede invertirse.

Desafío: Superar las limitaciones del diseño universal con atributos de amplificación avanzados

Más allá de los tipos de amplificadores específicos, los diseños electrónicos suelen enfrentarse a varios retos generales, y las soluciones de amplificación modernas ofrecen atributos clave para superarlos:

Fiabilidad en entornos difíciles

Muchas aplicaciones, sobre todo en el sector de la automoción (sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), control de motores y sistemas de gestión de baterías), exigen componentes capaces de soportar temperaturas extremas (hasta 150 °C en algunos dispositivos que pronto estarán disponibles en la plataforma Treo) y condiciones eléctricas exigentes. Para garantizar que componentes como el NCV210R y el NCV333 cumplan estos rigurosos requisitos de fiabilidad, es fundamental obtener cualificaciones de nivel automovilístico, como AEC-Q100 y PPAP.

Eficiencia energética

La necesidad de ampliar la duración de la batería y reducir el consumo de energía en dispositivos portátiles, IoT y sistemas industriales exige amplificadores con corrientes de reposo ultrabajas, a veces de tan solo decenas de microamperios en el caso de los op-amps o incluso de nanoamperios en el caso de los comparadores, como la plataforma Treo con 315 nA por canal. Este consumo mínimo se consigue sin comprometer el rendimiento.

Optimización del espacio

La miniaturización es una demanda constante en la electrónica moderna. Las soluciones de amplificación disponibles en encapsulados compactos, como los CSP (Chip Scale Packages) y los uQFNS (micro Quad-Flat No-lead) para la plataforma Treo , ayudan a los diseñadores a reducir considerablemente el espacio en placa, algo esencial para aplicaciones como los smartphones y la electrónica para llevar puesta.

Respuesta y control rápidos

En sistemas dinámicos como el control de motores y la regulación de potencia, el procesamiento rápido de señales es vital. Los comparadores que próximamente ofrecerá la plataforma Treo presentan retardos de propagación rápidos de 40 ns y respuestas transitorias rápidas, lo que permite un control preciso y oportuno, crucial para la estabilidad y el rendimiento del sistema.

Adaptación de la capacidad del amplificador a las necesidades de la aplicación

Seleccionar el amplificador adecuado para un diseño electrónico es muy parecido a elegir la herramienta adecuada para una tarea específica en un complejo proyecto de construcción. Al igual que una herramienta especializada permite a un artesano realizar una operación delicada o difícil con precisión y eficacia, las distintas arquitecturas de amplificadores se diseñan con capacidades distintas para afrontar retos únicos en los circuitos electrónicos.

Ya se trate de la necesidad de una amplia versatilidad, de una precisión milimétrica en un entorno fluctuante o de una monitorización precisa de la corriente en un sistema de alimentación, la comprensión del reto de diseño específico permite a los ingenieros aprovechar los atributos especializados de las modernas carteras de amplificadores, como las construidas sobre la avanzada plataforma Treo, para llevar a buen puerto sus visiones electrónicas.

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