Operacionales rail-to-rail: qué significa realmente
Son dos afirmaciones distintas, ninguna promete el raíl y las dos dependen de la carga.
- Lección 8 de 10
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«Rail-to-rail» es una expresión que hay que desenvolver antes de poder usarla, porque son dos afirmaciones distintas con un solo nombre, y ninguna de las dos es la que casi todo el mundo entiende.
Lo que casi todo el mundo entiende es que la pieza trabaja de 0 V a la tensión de alimentación por los dos extremos, en las entradas y en la salida, en cualquier condición. Ningún amplificador hace eso. Lo que hacen los buenos es acercarse lo bastante como para que lo que falta sea un número que puedas presupuestar, y el objeto de esta lección es encontrar ese número.
Respuesta rápida. Entrada rail-to-rail y salida rail-to-rail son especificaciones separadas con mecanismos separados, y una pieza puede tener una sin la otra. Salida rail-to-rail significa que la salida puede acercarse a cada alimentación, con el margen que falta fijado sobre todo por la corriente de carga. Entrada rail-to-rail significa que el rango de modo común cubre todo el recorrido de la alimentación, lo que normalmente se consigue con dos etapas de entrada y una región de relevo entre ellas donde la tensión de offset da un escalón.
Dos afirmaciones, dos mecanismos
La entrada y la salida de un operacional son circuitos distintos con problemas distintos, y por eso las dos afirmaciones son independientes.
El problema de la salida es cuánto puede acercar un transistor un nodo a una alimentación mientras lleva corriente. El problema de la entrada es cuánto puede acercarse un par diferencial a una alimentación y seguir funcionando. Resolver uno no hace nada por el otro, y una pieza especificada como de salida rail-to-rail con una etapa de entrada convencional es un producto perfectamente normal y a menudo sensato.
La abreviatura RRIO significa las dos cosas. RRO a secas significa sólo salida. Lee qué afirma realmente la hoja de características, también en la portada, donde el resumen comercial a veces es más laxo que la tabla de especificaciones.
Salida: el margen es función de la carga
Una etapa de salida tradicional es un seguidor de emisor o de surtidor, que nunca puede acercarse a un raíl más de lo que necesita para excitarse a sí misma. Esa es la arquitectura que se queda a un voltio largo, y no es a la que se llama rail-to-rail.
Una etapa de salida rail-to-rail usa en su lugar dispositivos en emisor común o surtidor común, de modo que el transistor de salida queda directamente entre el nodo de salida y el raíl. Ahora lo cerca que llegues depende de cuánta tensión cae en un transistor que conduce, que depende de cuánta corriente lleva.
Esa dependencia es toda la historia, y se puede cuantificar. Supón que una hoja especifica 150 mV de margen entregando 10 mA. Trata el dispositivo de salida como una resistencia:
Rout ≈ 150 mV / 10 mA = 15 ΩEntonces, con otras corrientes, aproximadamente:
a 20 mA: 20 mA × 15 Ω = 300 mV
a 2 mA: 2 mA × 15 Ω = 30 mVCon una alimentación de 3,3 V, una carga que pida 20 mA en los dos sentidos deja un recorrido útil de salida de 3,3 − 0,3 − 0,3 = 2,7 V, que es el 82 % de la alimentación. La misma pieza moviendo 2 mA deja 3,24 V, el 98 %. Una pieza, una alimentación, dos respuestas muy distintas, decididas por la carga.
Dos advertencias honradas sobre esa cuenta. Una etapa de salida real no es una resistencia pura, así que la extrapolación lineal es una estimación de planificación y la autoridad es la curva de margen frente a corriente de la hoja. Y la resistencia en conducción del dispositivo de salida sube con la temperatura, de modo que el margen que mediste en un banco templado no es el peor caso.
También funciona al revés, y eso sí conviene saberlo. Una pieza de propósito general que no es rail-to-rail puede acercarse muchísimo al raíl negativo con carga ligera. La familia LM358 está especificada para bajar su salida a menos de 20 mV del raíl negativo con una carga de 10 kΩ o menos devuelta a ese raíl, que es mejor de lo que mucha gente espera de una pieza a la que nadie llamaría rail-to-rail. Pídele que absorba más corriente y el comportamiento cambia por completo: un sumidero de corriente interno débil se encarga de los primeros microamperios, y más allá de unos 12 µA con 200 mV la salida necesita otro dispositivo interno que no entra hasta que la salida está varios cientos de milivoltios más arriba.
La moraleja no es que el LM358 sea rail-to-rail en secreto. Es que «lo cerca del raíl» no es una propiedad de la pieza. Es una propiedad de la pieza y la carga juntas, y cualquier afirmación hecha sin una corriente de carga está incompleta.
Entrada: dos etapas y la costura entre ellas
Conseguir que el rango de entrada en modo común cubra toda la alimentación se hace normalmente montando dos etapas de entrada en vez de una.
Un par PNP o PMOS se encarga de la parte baja del rango, desde por debajo del raíl negativo hasta aproximadamente voltio y medio antes del positivo. Un par auxiliar NPN o NMOS cubre ese último tramo hasta el raíl positivo. Entre los dos hay una región de relevo en la que la responsabilidad pasa de un par al otro.
Los dos pares son trozos de silicio distintos con offsets distintos. Así que cuando la tensión de modo común barre el relevo, la tensión de offset de entrada no deriva: da un escalón. En una hoja de características esto sale como una discontinuidad en la gráfica de tensión de offset frente a tensión de modo común de entrada, y es la gráfica más informativa de todo el documento para quien se plantee una pieza de entrada rail-to-rail en un trabajo de precisión.
Tres consecuencias:
- En un circuito de precisión en continua el escalón es un error real. Si
la tensión de modo común de tu señal cruza el relevo, parte de tu curva de transferencia tiene un offset y parte tiene otro. Calibrar en un punto no arregla el otro.
- Con una tensión de modo común que se mueve, además es distorsión. Un
seguidor o una etapa no inversora ponen la propia señal en la entrada de modo común, así que la señal barre el relevo en cada ciclo y recoge una no linealidad que no quita ninguna cantidad de ganancia de lazo.
- Algunas piezas lo evitan del todo. Una bomba de carga interna puede
alimentar la etapa de entrada desde una tensión por encima del raíl positivo, lo que permite que un solo par cubra todo el rango. Esas piezas se venden específicamente por no tener cruce, y es de los pocos casos en que la frase comercial describe algo estructural.
La vía de escape no cuesta nada cuando está disponible: dispón el circuito para que la tensión de modo común no se mueva. Una etapa inversora o un amplificador de transimpedancia clavan su nodo de entrada a una tensión fija, de modo que la región de relevo es sencillamente un sitio al que nunca vas. Esta es la ventaja silenciosa de la topología inversora que apuntábamos en la lección 2.
Qué promete y qué no promete la frase
| Afirmación | Qué significa | Qué no significa |
|---|---|---|
| Salida rail-to-rail | la etapa de salida puede acercarse a los dos raíles | que los alcance, ni que el margen no dependa de la carga |
| Entrada rail-to-rail | el rango de modo común abarca las alimentaciones | que el offset sea constante en todo ese recorrido |
| RRIO | las dos cosas anteriores | que puedas olvidarte de ninguna |
| «A 100 mV del raíl» | cierto con la carga indicada | absolutamente nada con cuatro veces esa carga |
| Especificado a 25 °C | cierto a 25 °C | el límite en caliente ni en frío |
Elegir con esto en la cabeza
Decide qué necesitas de verdad, porque la capacidad rail-to-rail no es gratis. Se paga con alguna combinación de offset, ruido, distorsión cerca de los raíles y corriente de reposo.
- ¿Necesitas que la salida llegue cerca de un raíl, con una carga
conocida? Eso es un requisito de salida rail-to-rail y la aritmética de margen de arriba lo dimensiona.
- ¿Necesitas que la entrada esté cerca del raíl positivo, como en una
medida por el lado alto? Eso es un requisito de entrada rail-to-rail, y la región de relevo sólo importa si tu tensión de modo común la atraviesa.
- ¿No necesitas ninguna de las dos, porque la etapa tiene ganancia y la señal
está a media alimentación? Entonces una pieza convencional puede ser más exacta y más barata, y la etiqueta rail-to-rail es una distracción.
Nuestro propio frontal de las lecciones anteriores está en la tercera categoría por la entrada, donde la señal se queda cerca de 0 V, y en la primera por la salida, donde el fondo de escala de 2,38 V con 3,3 V de alimentación deja casi un voltio de margen. Ninguno de los dos extremos es exigente. Merece la pena darse cuenta, porque significa que la pieza adecuada para este circuito se elige por offset y por corriente de polarización, y no por una etiqueta.
Qué viene después
La lección 9 deja atrás las cuestiones de continua y de entrada y mira qué pasa al conectar la salida a algo capacitivo, que es el punto en el que un amplificador puede dejar de ser un amplificador y convertirse en un oscilador.
Fuentes y lecturas
- Texas Instruments: When to Use an Amplifier with Rail-to-rail Inputs, and What to Watch Out for (SSZTB56) — artículo técnico, la topología de entrada de dos etapas, dónde cae el relevo y la discontinuidad de offset que produce.
- Texas Instruments: Application Design Guidelines for LM324 and LM358 Devices (SLOA277B) — nota de aplicación, cómo depende la tensión de salida baja de la corriente de carga y de su terminación en una pieza que no es rail-to-rail.
- Texas Instruments: OPA320 and OPA2320 datasheet — hoja de características, una etapa de entrada con bomba de carga presentada como la forma de eliminar la distorsión de cruce.
- Microchip: AN682 Using Single Supply Operational Amplifiers in Embedded Systems — nota de aplicación, por qué los rangos de entrada y salida pasan a ser restricciones críticas con una sola alimentación baja.