Corriente de polarización de entrada: cuándo importan unos nanoamperios
Diez nanoamperios en una fuente de un megaohmio son diez milivoltios de error, casi setenta veces el offset.
- Lección 6 de 10
- Intermedio
El mismo amplificador que en la lección anterior acertaba con 150 microvoltios puede equivocarse en diez milivoltios en el circuito siguiente, sin que haya cambiado nada del amplificador. Lo que ha cambiado es lo que tiene conectado.
La corriente de polarización de entrada es el parámetro que convierte la impedancia de fuente en parte de la especificación del amplificador. Ignórala con una fuente de 1 kΩ y no pierdes nada. Ignórala con una fuente de 1 MΩ y pasa a ser el mayor error del diseño.
Respuesta rápida. La corriente de polarización de entrada es la pequeña corriente continua que necesita cada terminal de entrada para funcionar, de picoamperios en piezas CMOS y JFET a decenas o cientos de nanoamperios en las bipolares. Produce error al circular por la resistencia que se encuentra, así que el error de tensión es corriente por resistencia. La corriente de offset de entrada es la diferencia entre las corrientes de las dos entradas, y es lo que queda después de equilibrar las resistencias.
Por qué las entradas piden corriente
Los dos terminales de entrada van a transistores, y el tipo de transistor decide la respuesta.
Una etapa de entrada bipolar necesita corriente de base para mantener conduciendo a sus transistores, así que la corriente de polarización es considerable, bastante predecible y relativamente estable con la temperatura, porque depende sobre todo de la ganancia de corriente del transistor. Algunas piezas bipolares llevan circuitería interna de cancelación que resta casi toda, lo que reduce la corriente de polarización dejando un desapareamiento mayor entre las dos entradas.
Una etapa de entrada CMOS o JFET pide casi nada en comparación, porque lo que circula es la fuga inversa de una unión y no una corriente que el dispositivo necesite. Esa fuga es minúscula a temperatura ambiente y aproximadamente se duplica por cada 10 °C de subida, que es un comportamiento distinto y a veces peor que el del caso bipolar.
Esa última frase es la que conviene guardarse. CMOS no es sencillamente mejor. Es mejor a 25 °C y empeora más deprisa.
El error es una multiplicación, así que decide la fuente
Piensa en un sensor con 1 MΩ de resistencia de fuente atacando a un amplificador no inversor. La corriente de polarización de la entrada no inversora tiene que venir por ese 1 MΩ, y la tensión que desarrolla aparece en serie con la señal.
Con un amplificador bipolar de IB = 10 nA:
error = IB × Rs = 10 nA × 1 MΩ = 10 mVDiez milivoltios, referidos a la entrada. Ponlos frente a los 150 µV de offset de la lección anterior y el término de polarización es casi 70 veces mayor. Además lo multiplicará la misma ganancia de ruido de camino a la salida.
Con un amplificador CMOS de IB = 1 pA:
error = 1 pA × 1 MΩ = 1 µVUn microvoltio, que frente a un código del convertidor que vale 6,8 µV en la entrada es despreciable. El mismo circuito, la misma fuente, el mismo sensor y cuatro órdenes de magnitud de diferencia en el error, decididos por completo por el amplificador que hayas cogido.
Pero compruébalo en caliente. Si ese 1 pA se duplica cada 10 °C, a 85 °C se ha duplicado seis veces:
IB(85 °C) ≈ 1 pA × 2⁶ = 64 pA
error = 64 pA × 1 MΩ = 64 µVSigue siendo pequeño, pero ya no es invisible: unos nueve códigos del convertidor en la entrada. Una lectura de la hoja a temperatura ambiente te habría contado la película equivocada.
Corriente de polarización y corriente de offset no son el mismo número
Los dos terminales de entrada no piden exactamente la misma corriente. Las hojas lo describen con dos parámetros:
- La corriente de polarización de entrada (IB) es la media de las dos, y
es la que circula por la resistencia externa de cada entrada.
- La corriente de offset de entrada (IOS) es la diferencia entre ellas, y
suele ser una fracción pequeña de IB.
La distinción tiene premio práctico. Si las dos entradas ven la misma resistencia externa, las dos corrientes de polarización desarrollan tensiones casi iguales, y el amplificador diferencial rechaza lo que tienen en común. Lo que sobrevive es el desapareamiento actuando sobre esa resistencia, que es IOS y no IB.
En nuestro caso bipolar, supón IOS de 1 nA frente a IB de 10 nA. Añadir una resistencia en la otra entrada para igualar 1 MΩ cambia el error de:
IB × Rs = 10 nA × 1 MΩ = 10 mVa:
IOS × Rs = 1 nA × 1 MΩ = 1 mVUn factor de diez con una resistencia. Es una técnica real, y tiene un coste real.
Qué cuesta equilibrar
La resistencia de equilibrado es una resistencia, y las resistencias hacen ruido. Una resistencia de 1 MΩ a temperatura ambiente produce una densidad de ruido térmico de alrededor de:
en = √(4kTR) = √(4 × 1,38×10⁻²³ × 298 × 10⁶) ≈ 128 nV/√HzEn un ancho de banda de 10 kHz eso son 128 nV/√Hz × √10 000 ≈ 12,8 µV eficaces, es decir, unos dos códigos del convertidor de ruido añadidos en la entrada a cambio de quitar nueve códigos de error de continua. En este ejemplo es un buen cambio. En un circuito de más ancho de banda podría no serlo, y la cuestión es que se trata de un intercambio y no de una mejora gratis.
Lo habitual para suavizarlo es puentear la resistencia de equilibrado con un condensador, de modo que presente toda su resistencia en continua y mucha menos en el ancho de banda del ruido. Funciona, e introduce una constante de tiempo que tiene que ser compatible con lo rápido que el circuito deba responder.
Equilibrar supone además que las corrientes de polarización van en el mismo sentido y están realmente correlacionadas. En piezas con cancelación interna de la corriente de polarización puede que no sea así, y entonces igualar las resistencias empeora el error en vez de mejorarlo. Cuando pasa, la hoja de características suele advertirlo.
Elegir una tecnología de entrada
| Bipolar | CMOS o JFET | |
|---|---|---|
| Corriente de polarización típica | de nanoamperios a microamperios | picoamperios |
| Comportamiento con la temperatura | relativamente plano | se duplica cada 10 °C |
| Mejor con resistencia de fuente | baja o moderada | alta |
| Ruido de tensión típico | menor | mayor |
| Offset inicial típico | suele ser más ajustado | suele ser más holgado |
| ¿Ayuda equilibrar resistencias? | normalmente | no de forma apreciable, el error ya es mínimo |
Léelo como un par de preguntas y no como un veredicto. ¿Cuál es la resistencia de fuente, y en qué rango de temperatura? Alta impedancia a alta temperatura es el caso que más cuidado pide, porque es aquel en que la fuga y la resistencia juegan las dos en tu contra.
El fallo que todo el mundo se encuentra una vez
La corriente de polarización tiene que venir de algún sitio. Una entrada acoplada en alterna a través de un condensador, sin camino resistivo hasta una referencia de continua, no le deja por dónde. La corriente carga el condensador, la entrada deriva y la salida acaba contra un raíl por motivos que parecen un misterio completo hasta que recuerdas que la entrada necesitaba un retorno de continua.
El arreglo es una resistencia hasta el nodo de referencia, dimensionada contra la corriente de polarización y el error que produce, que es exactamente la cuenta de más arriba.
Qué viene después
La lección 7 pasa de cuánta corriente piden las entradas a dónde se les permite estar. Es el límite que produce respuestas equivocadas mientras la salida sigue cómodamente dentro de su recorrido.
Fuentes y lecturas
- Texas Instruments: Trade-offs Between CMOS, JFET, and Bipolar Input Stage Technology (SBOA355) — informe de aplicación, de dónde sale la corriente de entrada en cada tecnología y cómo se comporta con la temperatura.
- Texas Instruments: AN-20 An Applications Guide for Op Amps (SNOA621) — informe de aplicación, la corriente de polarización como término de error y la resistencia que la convierte.
- Microchip: AN1747 Operational Amplifier Applications Using 8-Bit PIC Microcontrollers — nota de aplicación, la corriente de polarización sobre la impedancia de fuente y el offset que resulta.
- Microchip: AN722 Operational Amplifier Topologies and DC Specifications — nota de aplicación, corriente de polarización y corriente de offset como especificaciones separadas.