Reducción de la capacidad de entrada de un amplificador mediante técnicas de bootstrap

VALENTÍN A. CATACORA; ENRIQUE M. SPINELLI; FEDERICO N. GUERRERO

La Plata

Jornada; 5tas Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería; 2019

Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata

Los amplificadores operacionales (AO) configurados como seguidores de tensión, es decircon ganancia unitaria, son ampliamente utilizados en instrumentación como primera etapa o?front-end? para conseguir altas impedancias de entrada. Una de sus aplicaciones es lamedición de potenciales biológicos mediante electrodos superficiales, que son señales debaja amplitud y alta impedancia de salida.La impedancia de entrada de un AO de tecnología CMOS o JFET puede ser muy alta, delorden de los tera-ohms (1012 Ω), pero decrece con la frecuencia debido a sus capacidadesde entrada. Por tratarse de un circuito con entrada diferencial, la capacidad de entrada de unAO se compone por la capacidad de modo diferencial y la capacidad de modo común,ambas del orden de los pico-farads (10-12 F). La primera puede reducirse fácilmente aladoptar la topología de seguidor de tensión, pero la capacidad de modo común sigue siendoun factor limitante. Una solución para reducir sus efectos es la técnica de bootstrap defuente, que consiste en que todos los nodos del amplificador, incluyendo sus tensiones dealimentación, adopten incrementalmente el potencial de la entrada. De este modo, noexisten cambios de potencial sobre las capacidades de entrada y sus efectos soneliminados. Mediante esta técnica pueden conseguirse capacidades de entrada por debajode las décimas de pico-farads.En este trabajo se presenta la caracterización experimental de un seguidor de tensiónimplementado con un amplificador operacional comercial y los resultados al aplicar elbootstrap de fuente. Se describen especialmente las técnicas de medida para las pequeñascapacidades resultantes. En primer lugar se efectuaron medidas de ruido y de la capacidadde entrada CIN. Posteriormente se implementó un circuito de bootstrap de fuente y se volvióa medir CIN para corroborar su reducción. Las mediciones de capacidad se realizaroninsertando una impedancia ZS en serie con la entrada y caracterizando el divisor depotencial formado por ZS y CIN. Se exploraron dos alternativas para ZS: un capacitor de 2 pFy un resistor de 10 GΩ. Los resultados obtenidos con ambas alternativas fueronconsistentes, validando la técnica de medida.La medición de las pequeñas capacidades CIN requirió especiales cuidados en el sistema demedida. Los ensayos se llevaron a cabo haciendo uso de una guarda de protecciónconectada a la salida del amplificador, para evitar el acople capacitivo entre su entrada yotras pistas del circuito impreso. La etapa de alimentación del circuito se implementómediante una fuente regulada basada en baterías para evitar interferencia proveniente de lared de distribución eléctrica. Además, las pruebas de banco se realizaron con el sistemacompleto dentro de un gabinete metálico conectado a tierra para evitar el acoplamientocapacitivo de fuentes de interferencia electromagnética.