Gli amplificatori a bassissima corrente di polarizzazione

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Introduzione

Occupiamoci dei casi nei quali abbiamo la necessità di poter disporre di amplificatori di corrente con bassa corrente di polarizzazione, cercando di portare degli esempi concreti. Quando si eseguono misure su sensori, il tipo di eccitazione del sensore impiegato varia notevolmente: può trattarsi di un segnale CC o CA, un generatore di tensione o di corrente, un generatore di impulsi e altro ancora. Quando si impiega un generatore di corrente per l’eccitazione o si usa un sensore ad alta impedenza, spesso la corrente di polarizzazione dell’amplificatore è una specifica importante, poiché può creare un termine di errore di tensione indesiderato mentre la corrente di polarizzazione circola attraverso una resistenza esterna. Per tale motivo, in molte di queste applicazioni, spesso sono necessari amplificatori di corrente a bassa corrente di polarizzazione. Questo è illustrato nella Figura 1, in cui l’amplificatore d’ingresso a FET da 500 MHz con corrente di polarizzazione dell’ordine dei femtoampere LTC6268 viene impiegato per convertire la fotocorrente in una misura di tensione. Nel caso ideale, la corrente del fotodiodo (IPD) sarebbe uguale alla corrente di retroazione (IFB) e IBIAS sarebbe pari a zero; ma un amplificatore di corrente con corrente di polarizzazione nulla non è una soluzione attuabile. Tuttavia, grazie a una corrente di polarizzazione tipica di ±3 fA e una corrente di polarizzazione di ±4 pA in condizioni di sovratemperatura, l’LTC6268 stabilisce lo standard per gli amplificatori di corrente ad ampia larghezza di banda e ridotta corrente di polarizzazione.

Figura 1: Errore in IBIAS in un’applicazione di regolazione del segnale di un fotodiodo

SATURAZIONE IN USCITA

La tipologia di sensori che richiedono amplificatori di corrente a bassa corrente di polarizzazione è ampia: fotodiodi, accelerometri, sensori chimici, trasduttori di pressione piezoelettrici o piezoresistivi e idrofoni. L’utilizzo di un amplificatore di corrente a bassa corrente di polarizzazione con un sensore ad alta impedenza può causare problemi se l’ingresso dell’amplificatore viene sovra-pilotato, poiché ne può conseguire un aumento della corrente di polarizzazione. Quando si verifica questa condizione, l’amplificatore può rimanere “bloccato”, con il segnale d’ingresso non più in grado di ridurre il segnale di uscita per rimediare alla condizione. Il circuito buffer LTC6091 mostrato nella Figura 2 esemplifica dove ciò si può verificare facilmente.

Figura 2: LTC6091: un’uscita satura può causare una violazione del modo comune d’ingresso

L’LTC6091 è un amplificatore di precisione da 140 V, doppio, con corrente di polarizzazione di soli 50 pA (max a 25°C), un’escursione dell’uscita “rail-to-rail” e tensione di offset d’ingresso di soli 50 μV. L’intervallo di tensione in modo comune è limitato a 3 V dalle linee di alimentazione. Per comprendere la situazione, osserviamo prima lo stadio d’ingresso dell’amplificatore, illustrato nella Figura 3.

Figura 3: Stadio d’ingresso dell’amplificatore con IBIAS pari a 50 pA dell’LTC6091

STRUTTURA D’INGRESSO DELL’AMPLIFICATORE

Lo stadio d’ingresso consiste di +INA e -INA, i gate della coppia differenziale del MOSFET a canale N del primo stadio dell’amplificatore. Quando l’uscita va in saturazione a causa di un sovrapilotaggio all’ingresso, occorre una corrente di polarizzazione attraverso la rete di protezione dell’ingresso per ridurre quest’ultimo quanto basta affinché il dispositivo possa uscire dalla zona di saturazione. Tuttavia, innanzitutto l’elevata impedenza del generatore non è in grado di produrre una corrente di polarizzazione significativa, e quando l’ingresso è sovrapilotato e l’uscita va in saturazione, l’ingresso -INA può essere portato a un livello più alto fino a superare il limite della tensione di modo comune. In questa situazione, la natura differenziale della coppia può venire meno, causando uno stato di uscita indeterminato; se quest’ultimo fa sì che l’uscita rimanga satura, è necessaria una corrente di polarizzazione aggiuntiva per ripristinare il normale funzionamento.

LA SOLUZIONE

La Figura 4 mostra una semplice soluzione al problema nel circuito di un amplificatore di strumentazione, utilizzando una configurazione a tre amplificatori.

Figura 4: I resistori da 10 kΩ impediscono all’uscita dell’amplificatore di andare in saturazione

L’LTC6090 è una versione ad amplificatore singolo dell’LTC6091 doppio, mentre l’LT5400-2 è una rete resistiva quadrupla adattata con funzionamento a ±75 V, con quattro resistori da 100 kΩ selezionati con una tolleranza migliore dello 0,01%. All’uscita vengono aggiunti due resistori da 10 kΩ per limitare l’escursione di uscita del caso peggiore e far sì che la tensione di retroazione non superi mai l’intervallo di modo comune dell’ingresso dell’amplificatore. Test empirici mostrano che per valori di resistenza del generatore superiori a 20 MΩ, la corrente di polarizzazione potrebbe non essere sufficiente a “liberare” l’ingresso +INA se rimane “bloccato”. Con resistenze del generatore inferiori, è possibile abbassare l’ingresso +INA dopo un evento di sovrapilotaggio contro la corrente di dispersione del dispositivo di protezione che deve essere superata (ossia, il generatore d’ingresso con Z elevata mantiene il controllo). Questi dispositivi possono aiutare a realizzare il vostro progetto del sensore a livelli prestazionali ottimali.

Articolo della rivista cartacea Firmware Anno 2015 - Numero 114/115

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