Transportador actual

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Un  transportador de corriente ( CC) es un modelo abstracto de un dispositivo electrónico universal de tres salidas para procesar señales analógicas en términos de corrientes y voltajes , un análogo idealizado de un transistor . Dos entradas del transportador de corriente (análogos de la compuerta y la fuente de un transistor o emisor de efecto de campo y la base de un transistor bipolar ) operan con corrientes y voltajes y transmiten ( ing. transmitir , por lo tanto, el transportador ) corriente a la salida del transportador (análogo de un drenaje o colector), que tiene una impedancia de salida infinitamente grande . En teoría, los dispositivos en los transportadores de corriente son capaces de realizar todas las funciones realizadas por los amplificadores operacionales clásicos (op-amps) con retroalimentación de voltaje , por regla general, con mejor rendimiento, precisión y con menos componentes externos. En la práctica, los transportadores actuales no podían competir con los amplificadores operacionales clásicos y solo encontraron un uso limitado . En 1988-2015, la industria produjo solo seis circuitos integrados de esta clase . El área de aplicación más extendida del transportador de corriente fueron las etapas de entrada de amplificadores operacionales de alta velocidad con retroalimentación de corriente (op-amp TOS) . Estos amplificadores tienen una velocidad de respuesta prácticamente ilimitada a frecuencias de corte superiores a 1 GHz.


Transportador de corriente de primera generación

En 1968, un recién graduado de la Universidad de Toronto Abel Sedra y su supervisor Kenneth Smith propusieron el concepto de  " transmisión de corriente " y su implementación práctica: un circuito de cinco transistores, una especie de análogo idealizado del transistor bipolar npn [1] . Según las memorias de Sedra, el prototipo del transportador de corriente nació en el otoño de 1966 [2] , durante el trabajo de tesis sobre una tarea práctica: la creación de una fuente de corriente estable con compensación de temperatura [3] . Después de depurar este dispositivo, Cedra y Smith simplificaron el circuito haciendo un transportador de corriente de tres pines a partir de una fuente de corriente de un solo pin [3] . El primer dispositivo práctico basado en él fue un amplificador de corriente de laboratorio de banda ancha con un rango operativo desde corriente continua hasta 100 MHz [4] [comm. 1] . Después de que Cedra y Smith publicaran una descripción del transportador de segunda generación, el circuito de 1968 se conoció como el transportador de corriente de primera generación [5] (CCI+; el signo más significa control unidireccional y corrientes controladas).

En la tubería de corriente más simple, la entrada Y está controlada por el voltaje Vy, la entrada X por la corriente Ix. Gracias al repetidor (T1, T2), la tensión en la entrada X repite la tensión en la entrada Y; gracias al espejo de corriente (T3, T4, T5), las corrientes que circulan por la entrada Y y la entrada Z repiten la corriente Ix independientemente de la tensión Vy [1] [5] . Dependiendo de la elección del "sistema de coordenadas", el circuito funciona como un transistor analógico en modo de base común o como un transistor analógico en modo de colector común [1] . En notación matricial , su comportamiento se describe mediante la ecuación

 [6]

Los coeficientes de transferencia de voltaje y corriente de los circuitos reales inevitablemente difieren del modelo ideal debido al efecto Earley , la resistencia interna distinta de cero de las uniones pn. Cedra y Smith propusieron compensar el error que generaron utilizando espejos de corriente mejorados y retroalimentación positiva [1] . A altas frecuencias, la desviación del ideal aumenta y el error relativo se vuelve significativo mucho antes de que se alcance la frecuencia de corte del circuito (como referencia, en el IC transportador de corriente en serie CCII01, es de 100 MHz para todos los coeficientes de matriz) [7 ] .

En el esquema propuesto por Sedra y Smith, todas las corrientes Ix, Iy, Iz fluyen hacia las terminales correspondientes; la dirección de todas las corrientes se puede invertir reemplazando los transistores por complementarios y la tensión de alimentación negativa por una positiva [5] . Se puede crear un transportador bidireccional que funcione tanto con corrientes entrantes como salientes combinando dos tuberías en un circuito según el esquema de 1968: uno (inferior) para corrientes entrantes, el otro (superior) para corrientes salientes [5] y complementando el circuito con un circuito de arranque [8] . En todas las variantes, el circuito puede tener no una, sino varias salidas Z 1 , Z 2 y así sucesivamente; los coeficientes de transferencia de corriente para cada una de las salidas se pueden ajustar ajustando el espejo de corriente [1] .

Cedra y Smith propusieron una serie de aplicaciones prometedoras del nuevo circuito en dispositivos analógicos (convertidores de corriente o de voltaje a corriente, amplificadores de control de ganancia electrónicos, etc.), pero se centraron específicamente en la posibilidad de crear una familia fundamentalmente nueva de circuitos rápidos. circuitos integrados lógicos [1] . La transición de cambiar voltajes y corrientes a cambiar solo corrientes a voltajes constantes en los conductores de señal prometía una mejora fundamental en el rendimiento [1]  , pero las ideas de Cedra y Smith no echaron raíces en la electrónica digital. La única producción microelectrónica en Canadá no pudo o no quiso implementar la propuesta de los inventores [9] . Durante casi dos décadas, no se usó ampliamente en los circuitos analógicos, donde dominaban los amplificadores operacionales de retroalimentación de voltaje clásicos.

Transportador actual de segunda generación

También en 1968 [10] , Cedra y Smith mejoraron el modelo de tubería al hacer que la entrada Y fuera controlable solo por voltaje. La obra, en la que los autores introdujeron el concepto de "línea de montaje de segunda generación" (CCII), se publicó recién en febrero de 1970; el diagrama esquemático del nuevo transportador se publicó más tarde; en 1970 era un diseño puramente abstracto [10] . El nombre se ha fijado en la literatura, a pesar de las críticas de autores posteriores, que consideran injustificada la división de los gasoductos en “generaciones” [11] .

El circuito real CCII en transistores bipolares es un seguidor de emisor complementario push-pull ( amplificador de corriente paralelo ), en cuyos brazos de potencia superior e inferior se construyen espejos de corriente simétricos . La entrada del seguidor es una entrada de tubería potencial Y, la salida del seguidor es una entrada-salida de corriente bidireccional X. La corriente diferencial de salida de los espejos de corriente se transmite al tercer pin de corriente Z. En la topología CCII+ no inversora más común, el voltajes y corrientes de los pines están relacionados por la relación

 [12] ;

en topología inversora CCII-:

 [12]

La diferencia fundamental entre el circuito de segunda generación y el primero está en la alta (en teoría, infinitamente alta) resistencia de entrada de la entrada de control Y, y en consecuencia, en la conveniencia de emparejar el circuito de corriente con fuentes de voltaje anteriores . CCII es más flexible que su predecesor y, por lo tanto, más valioso para los desarrolladores [13] .

Implementación práctica

Para 1990, según los cálculos de Sedra, los investigadores habían publicado más de cien artículos sobre los transportadores actuales [15] ; para 2015, el número de publicaciones superó las mil [16] . En la década de 1980, los investigadores demostraron que un elemento que aún no se produce en masa se puede usar como núcleo para construir todo tipo de fuentes de corriente y voltaje estables, cualquier función lineal y muchas funciones no lineales, mientras se usa un número menor de componentes pasivos que un amplificador operacional clásico [17] . Sedra y Smith dejaron de trabajar en tuberías en 1970 [18] , pero sus seguidores inventaron al menos diez nuevas opciones “en la punta de un bolígrafo”: “tubería de tercera generación” (CCIII, 1995), “tubería diferencial” (DVCC), "transportador universal" (UCC) y así sucesivamente [11] . Al mismo tiempo, durante dos décadas, la tubería actual siguió siendo una abstracción académica que existía solo en forma de maquetas de transistores discretos o sus imitaciones basadas en amplificadores operacionales de retroalimentación de voltaje clásicos [19] [20] .

En la mayoría de estos circuitos, la etapa del transistor de salida, que formaba la corriente de salida Z, estaba controlada por los circuitos de suministro de energía del amplificador operacional [20] . Debido al hecho de que este amplificador operacional se encendió en modo repetidor, la frecuencia de corte de la tubería coincidió con la frecuencia de ganancia unitaria del amplificador operacional [8] . Dicho transportador, encendido en el modo de amplificación de voltaje, siempre fue más rápido que el amplificador operacional utilizado en él [8] . Esto no era suficiente para ponerlo en práctica: era necesario pasar de las maquetas a la producción en serie de circuitos integrados económicos, y en las décadas de 1970 y 1980 era imposible. Las tecnologías de aquellos años no permitían la creación de transistores pnp de alta frecuencia en un chip; Los transistores pnp de lado lento , disponibles para los diseñadores de circuitos integrados en la década de 1970, no eran adecuados para los circuitos integrados analógicos rápidos [15] [21] .

El amplificador operativo de retroalimentación actual (CTF) CLC102 de Comlinear se lanzó en 1983 como el primer circuito integrado producido en masa basado en una tubería actual; era un ensamblaje híbrido voluminoso y costoso basado en transistores discretos [22] . Los circuitos integrados de semiconductores en serie basados ​​en transportadores de corriente de alta velocidad aparecieron en el mercado solo en 1987, después del lanzamiento industrial de la tecnología de silicio sobre aislante , que hizo posible formar transistores pnp de alta frecuencia en un chip [21] [comm. 2] . En estos IC (TOC OU con corrección integrada), solo las entradas X e Y del transportador estaban disponibles para el usuario. El primer IC transportador de corriente dedicado, Phototronics PA630, fue lanzado en 1989 [23] [comm. 3] . Es paradójico que en ese momento el primer IC ya se vendiera activamente en el mercado, lo que brindaba al usuario acceso a las tres salidas del transportador actual, un TOS de amplificador operacional con corrección externa Analog Devices AD844, pero la comunidad científica lo hizo. no lo sé [12] . El fabricante, que promocionó el AD844 como un amplificador operacional con una velocidad de respuesta ultra alta, optó por no anunciar sus capacidades de "canalización"; los investigadores les prestaron atención recién en 1991 [12] [comm. 4] . Burr -Brown , que lanzó un IC OPA660 similar en 1990, tampoco usó el término "tubería actual": en la documentación de Burr-Brown, la tubería se llamaba "transistor de diamante", ing.  transistor de diamante [24] .

Para 2015, los transportadores actuales se usaban en cientos de modelos de amplificadores operacionales TOC comerciales, pero a principios de 2015, solo se lanzaron seis series que brindan al usuario acceso a todas las salidas de señal del transportador incorporado. Todos ellos están fabricados con tecnología bipolar [25] : además de los ya mencionados AD844, OPA660 y PA630, estos son CCII01 de LTP Electronics (1993 [26] ) y OPA2662 (1991) y OPA860 (mejorado OPA660, 1990) de Texas Instruments , que adquirió Burr-Brown [27] . Después del estallido de interés de los fabricantes a finales de los años 80 y 90, no apareció ninguna serie nueva [28] . Wai-Kai Chen, profesor de la Universidad de Illinois en Chicago , comentó sobre esto en 2009 que “hasta que los transportadores de corriente de alta velocidad estén [realmente] ampliamente disponibles, solo se utilizarán en laboratorios, y no en la práctica” [21 ] .

Véase también

Comentarios

  1. ↑ Para obtener una descripción detallada, consulte Smith, KC y Sedra, A. A New Simple Wide-Band Current-Measure Device // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 1969. - No. Junio ​​1969. - Pág. 125-128.
  2. ↑ Para obtener detalles sobre la evolución de estas tecnologías, consulte Kester, W. High Speed ​​​​Op Amps // Manual de aplicaciones de amplificadores operacionales / ed. Jung, W. - Newnes, 2005. - P. 97-99. — 878p. - (Serie de dispositivos analógicos). — ISBN 9780750678445 .
  3. ↑ Consulte Wadsworth, DC Precisa topología actual del transportador e implementación monolítica // IEE Proceedings G (Circuits, Devices and Systems) para obtener una descripción detallada. - 1990. - vol. 137, N° 2. - Págs. 88-94. — ISSN 0956-3768 .
  4. ↑ Para una descripción detallada del trabajo de investigadores independientes, véase Svoboda, J. et al. Aplicaciones de un transportador de corriente disponible comercialmente // International Journal of Electronics. - 1991. - vol. 70, N° 1. - Pág. 159-164. -doi : 10.1080/ 00207219108921266 .

Notas

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Smith, KC y Sedra, A. The Current Conveyor: un bloque de construcción de un nuevo circuito // Actas de IEEE / Proceedings Letters. - 1968. - No. Agosto 1968. - Pág. 1368-1369.
  2. ↑ Sedra, 1990 , pág. 78.
  3. ↑ 1 2 Senani, 2015 , pág. cuatro
  4. ↑ Sedra, 1992 , pág. 96.
  5. ↑ 1 2 3 4 Senani, 2015 , pág. 6.
  6. ↑ Senani, 2015 , pág. 6. En el esquema alternativo de CCI, el de la última línea se reemplaza por un menos uno.
  7. ↑ Solimán, 1998 , pág. 134.
  8. ↑ 1 2 3 Wai-Kai Chen, 2009 , pág. 3-15.
  9. ↑ Sedra, 1992 , pág. 102.
  10. ↑ 1 2 Smith, KC y Sedra, A. Un transportador de corriente de segunda generación y sus aplicaciones // IEEE Transactions on Circuit Theory. - 1970. - Nº febrero 1970. - Pág. 132-134.
  11. ↑ 1 2 Dostal, T. et al. Sobre transportadores de corriente multipuerto // Actas de la 4ª Conferencia internacional WSEAS sobre aplicaciones de ingeniería eléctrica (AEE'05). Praga, República Checa, 13-15 de marzo de 2005. - P. 261-264.
  12. ↑ 1 2 3 4 Senani, 2015 , pág. 7.
  13. ↑ Wai-Kai Chen, 2009 , pág. 3-12.
  14. ↑ Senani, 2015 , pág. 26
  15. ↑ 1 2 Sedra, 1990 , pág. 79.
  16. ↑ Senani, 2015 , págs. 3, 13.
  17. ↑ Senani, 2015 , págs. 3, 7.
  18. ↑ Sedra, 1990 , pág. 80.
  19. ↑ Senani, 2015 , págs. 7-8.
  20. ↑ 1 2 Wai-Kai Chen, 2009 , pág. 3-14.
  21. ↑ 1 2 3 Wai-Kai Chen, 2009 , pág. 3-16.
  22. ↑ Taranovich, S. Analog: back to the future, Part 3  // Electronic Design News. - 2012. - No. 02 de diciembre de 2012 . Archivado desde el original el 12 de febrero de 2015.
  23. ↑ Senani, 2015 , págs. 7, 50.
  24. ↑ Lehmann, K. Diamond Transistor OPA660 // Boletín de aplicaciones de Burr-Brown. - 1990. - Nº SBOA071.
  25. ↑ Senani, 2015 , pág. 33.
  26. ↑ Toumazou, C. Amplificadores de retroalimentación de voltaje versus retroalimentación de corriente: historia, conocimiento y relaciones // ISCAS'93. Simposio internacional IEEE sobre circuitos y sistemas. - 1993. - vol. 2. - Pág. 1046 - 1049.
  27. ↑ Senani, 2015 , pág. 55. Todos los esquemas anteriores se analizan en detalle en el Capítulo 3.3.
  28. ↑ Senani, 2015 , págs. 33, 55.

Fuentes