Rango de modo común: por qué un operacional puede fallar antes de saturar

Detrás de mucha depuración analógica hay una suposición cómoda: si la salida no está pegada a un raíl, el amplificador tiene que estar funcionando. La salida marca 3,3 V con una alimentación de 5 V, que está lejos de los dos raíles, así que lo que falla estará en otro sitio.

No es una suposición segura. Un operacional tiene un segundo rango, distinto del de salida, y cuando las entradas se salen de él el amplificador puede dar una salida perfectamente creíble y perfectamente equivocada.

Respuesta rápida. El rango de entrada en modo común es la ventana de tensión dentro de la cual tienen que quedarse las propias patillas de entrada para que el amplificador se comporte como está especificado. Lo fijan los transistores de la etapa de entrada y el margen que necesitan hasta los raíles, y es un límite distinto de lo cerca que puede llegar la salida a un raíl. Si lo superas, el amplificador no satura necesariamente. Puede seguir dando una salida cerca de donde esperabas, con un error mucho mayor del que promete la hoja de características.

Modo común y diferencia son dos cosas distintas

Todo par de tensiones de entrada se puede describir de dos maneras. La tensión diferencial es la diferencia entre ellas, que es lo que el amplificador tiene que amplificar. La tensión de modo común es más o menos su media, que es dónde está situado el par.

Un amplificador ideal ignoraría por completo la tensión de modo común. Uno real casi lo hace, dentro de un rango limitado, y hace otra cosa fuera de él.

La razón está en la figura. La etapa de entrada es un par diferencial de transistores con una fuente de corriente por encima o por debajo. Cada uno de esos dispositivos necesita cierta tensión entre sus terminales para quedarse en su región útil. Súmalas y sale una banda de tensión de modo común dentro de la cual la etapa se comporta como un amplificador, y cierta distancia hasta uno o los dos raíles donde no.

Qué raíl pierdes depende de la etapa de entrada. Un par PNP o PMOS trabaja a gusto hasta el raíl negativo, y a veces algo por debajo, mientras se queda sin sitio bastante antes del raíl positivo. Un par NPN o NMOS es la imagen especular. Una pieza que presume de abarcar todo el recorrido suele llevar los dos, lo que trae un problema propio del que se ocupa la lección siguiente.

Qué dice de verdad la hoja de características

Toma un dispositivo de la familia de propósito general tan usada que representan el LM324 y el LM358. Su rango recomendado de entrada en modo común va desde la alimentación negativa hasta VCC − 2 V en todo el rango de temperatura. Con una alimentación de 5 V eso son 0 V a 3,0 V, no 0 V a 5 V.

En esa frase hay dos detalles que trabajan mucho.

El límite se expresa relativo a un raíl, no como una tensión absoluta. Alimenta la misma pieza con 3,3 V y la ventana pasa a ser de 0 V a 1,3 V, que es menos de la mitad de la alimentación. A quien verificó un diseño con 5 V y después bajó el raíl para ahorrar consumo le ha cazado exactamente esto.

Y el límite se mueve con la temperatura. En esta familia el límite superior varía unos 4 mV/°C, y el frío lo reduce. Ir de 25 °C a −40 °C son 65 °C:

desplazamiento = 4 mV/°C × 65 °C = 260 mV

Así que el límite superior baja de 3,0 V a unos 2,74 V. Un circuito cuya tensión de modo común sea 2,9 V tiene 100 mV de margen en el banco a temperatura ambiente y está 160 mV fuera de especificación en una cámara climática en frío. Es un ejemplo de manual de diseño que pasa el ensayo final y falla en campo, y es también por lo que la especificación se escribe para todo el rango de temperatura y no a 25 °C.

El ejemplo en el que todo parece correcto

Este es el caso que más tardes hace perder.

Necesitas una referencia de 3,3 V tamponada en una tarjeta cuya alimentación analógica es de 5 V. Metes una referencia de tensión en un seguidor de ganancia unidad montado con la mitad de un operacional dual de propósito general, y mides la salida.

• Salida esperada: 3,3 V.
• Recorrido de salida de esta pieza con 5 V y carga ligera: puede pasar de

3,3 V, así que la salida no está saturada.

• Tensión de modo común de entrada: también 3,3 V, porque en un seguidor la

patilla de entrada está sobre la señal.

• Límite especificado a 25 °C: 3,0 V.

El circuito está funcionando 300 mV fuera de su rango de entrada en modo común mientras su salida reposa cómodamente a media escala. A −40 °C esa violación de margen crece hasta 560 mV.

Lo que mides es una tensión cerca de 3,3 V. Ni un raíl, ni cero, ni nada visiblemente roto. El error es lo que decida hacer la etapa de entrada una vez fuera de su región: un offset efectivo mucho mayor, una ganancia que ya no es la que dedujiste y un coeficiente de temperatura que la hoja no describe, porque la hoja no describe en absoluto el funcionamiento ahí.

El fallo es que la pieza se está usando fuera de su especificación, de modo que no hay ningún número que consultar para predecir el resultado. Dos muestras del mismo carrete pueden diferir. La misma muestra puede comportarse de otra manera la semana que viene.

Por debajo del raíl negativo la cosa empeora

Pasarse del límite superior degrada la exactitud. Bajar del raíl negativo puede hacer algo más llamativo.

Si una entrada se lleva unos cientos de milivoltios por debajo de la alimentación negativa, las uniones parásitas de la estructura de entrada empiezan a conducir. Para esta familia el umbral que se cita ronda los −0,3 V respecto de la alimentación negativa. Entonces entra una corriente considerable por la patilla de entrada, y la salida puede invertirse: una condición llamada inversión de fase, en la que la salida se estampa contra el raíl equivocado.

Dentro de un lazo realimentado eso es un fallo de verdad, porque al lazo que mantenía el orden le acaban de cambiar el signo.

Lo que pilla a la gente es de dónde sale la excursión negativa. Rara vez es la señal. Es rebote de masa, ruido de conmutación acoplado desde un convertidor cercano, o una fuente inductiva que suena por debajo de cero durante unos cientos de nanosegundos. Una tarjeta cuya referencia analógica no está de verdad al mismo potencial que la patilla de alimentación negativa del amplificador es una tarjeta capaz de provocarlo ella sola, lo que lo convierte en una cuestión de layout tanto como de circuito. Cómo aparecen esos milivoltios en un retorno compartido lo cuenta la lección sobre masas en tarjetas con ADC del curso de masas.

Una excepción que conviene conocer

Cuando una de estas piezas se usa como comparador en vez de como amplificador, basta con que una de las entradas esté dentro del rango de modo común para que la salida vaya hacia donde se espera. La otra puede estar por encima del rango, y la salida sigue resolviendo bien. Si las dos entradas están por encima del rango, la salida queda indefinida y puede cambiar de una pieza a otra.

Es una tolerancia real y documentada, y es también una trampa, porque se aplica a la comparación en lazo abierto y no a los circuitos amplificadores de los que trata este curso. Conviene saberlo sobre todo para no generalizarlo en la dirección equivocada.

Comprobarlo en una revisión de diseño

Esa última fila es la moraleja de la lección. Que la salida sature es un síntoma visible. Una violación de modo común, no.

Qué viene después

La lección 8 toma la respuesta obvia a todo esto, que es echar mano de una pieza anunciada como rail-to-rail, y examina qué promete y qué no esa frase.

Fuentes y lecturas

• Texas Instruments: Application Design Guidelines for LM324 and LM358 Devices (SLOA277B) — nota de aplicación, el rango de modo común de esta familia, su coeficiente de temperatura, la tolerancia como comparador y las condiciones que causan la inversión de fase.
• Texas Instruments: Understanding Operational Amplifier Specifications (SLOA011) — informe de aplicación, el rango de modo común entre las especificaciones de entrada y cómo se ensaya.
• Microchip: AN682 Using Single Supply Operational Amplifiers in Embedded Systems — nota de aplicación, por qué el rango de entrada pasa a ser la restricción que aprieta cuando no hay raíl negativo.
• Texas Instruments: Trade-offs Between CMOS, JFET, and Bipolar Input Stage Technology (SBOA355) — informe de aplicación, cómo fija el rango de modo común la tecnología de la etapa de entrada.