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

Abstract

Los amplificadores operacionales (AO) configurados como seguidores de tensión, es decir con ganancia unitaria, son ampliamente utilizados en instrumentación como primera etapa o “front-end” para conseguir altas impedancias de entrada. Una de sus aplicaciones es la medición de potenciales biológicos mediante electrodos superficiales. Estas señales son de baja amplitud, poseen alta impedancia de salida y su banda espectral alcanza hasta las centenas de Hz. La impedancia de entrada de un AO de tecnología CMOS o JFET puede ser muy alta, del orden de los tera-ohms (1012 Ω), pero decrece con la frecuencia debido a sus capacidades de entrada. Por tratarse de un circuito con entrada diferencial, la capacidad de entrada de un AO 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 no influye significativamente en circuitos realimentados porque está definida sobre la tierra virtual del AO, pero la capacidad de modo común sí es un factor limitante. Una solución para reducir sus efectos es la técnica de bootstrap de fuente, que consiste en que todos los nodos del amplificador, incluyendo sus tensiones de alimentación, adopten incrementalmente el potencial de la entrada. De este modo, no existen cambios de potencial sobre las capacidades y sus efectos son eliminados. Esta técnica permite conseguir capacidades de entrada por debajo de las décimas de pF. En este trabajo se presenta la caracterización experimental de un seguidor de tensión implementado con un amplificador operacional comercial y los resultados al implementar el bootstrap de fuente. Se describen especialmente las técnicas de medida para las pequeñas capacidades resultantes. En primer lugar se efectuaron medidas de la capacidad de entrada de modo común (CIN)del AO y posteriormente se corroboró su reducción al implementar un circuito de bootstrap de fuente. Las mediciones se realizaron insertando una impedancia ZS conocida en serie con la entrada y caracterizando el divisor de potencial formado por ZS y CIN. La medición de las pequeñas capacidades CIN requirió especiales cuidados en el sistema de medida. Los ensayos se llevaron a cabo haciendo uso de una guarda conectada a la salida del amplificador para evitar el acople capacitivo entre su entrada y otras pistas del circuito impreso. La etapa de alimentación del circuito se implementó mediante una fuente regulada basada en baterías y las mediciones se realizaron con el sistema completo dentro de un gabinete metálico conectado a tierra a modo de blindaje.