Circuito de salida equilibrada flotante destinado a una tensión de salida diferencial en respuesta a una tensión de entrada,

con una impedancia de salida diferencial relativamente baja y una impedancia de salida en modo común relativamente elevada, que comprende: una primera sección de amplificador de transconductancia (1) para proporcionar un par diferencial de corrientes de salida (i1, i 2) en respuesta a la tensión de entrada, siendo las corrientes (i 1, i 2) sustancialmente iguales en magnitud y opuestas en polaridad, y una sección posterior (9) conectada para generar de este modo una señal de salida en respuesta al par de corrientes de salida del primer amplificador de transconductancia, una configuración (R3, R4) de bucle de realimentación diferencial conectada alrededor de la primera sección de amplificador de tranconductancia (1) para de este modo proporcionar una realimentación negativa diferencial; y una configuración de bucle de realimentación en modo común que comprende una segunda sección de amplificador de transconductancia (8) conectada alrededor de la posterior sección (9) para de este modo añadir respectivamente un par de corrientes (i 3, i 4) de salida sustancialmente coincidentes con la corriente de salida de la primera etapa (1) de transconductancia en respuesta a la señal de salida; en el cual el primer y el segundo amplificadores (1, 8) de transconductancia están diseñados para que la configuración de bucle de realimentación en modo común siga activa cuando la configuración de bucle diferencial se ha inhibido debido al descrestado cuando la tensión de entrada sobrepasa un nivel predefinido

La presente solicitud se basa en solicitud provisional número de serie nº 60/164.359 presentada el 9 de noviembre de 1999 a nombre de Gary K. Hebert y cuyo título es “An Improved Balanced Floating Point Output Driver IC”.

Campo de la Invención

La presente solicitud se refiere a circuitos de salida equilibradas y flotante, y más específicamente a un circuito de salida equilibrada flotante mejorado que mantiene el control de la corriente de salida en modo común en ambas ramas de salida del circuito, incluso cuando se descresta la salida de tensión diferencial y el circuito está excitando una carga referida a masa.

Antecedentes de la Invención

El equipamiento de audio profesional emplea a menudo circuitos de salida electrónicamente equilibradas destinados a imitar el comportamiento de los transformadores de salida lo mejor posible. Tales circuitos están destinado a aceptar una tensión de salida asimétrica y a producir una tensión de salida diferencial con una baja impedancia de salida diferencial. Se han diseñado, además, para poseer una impedancia de salida en modo común sustancialmente mayor (estando la impedancia de salida en modo común definida como la impedancia de una de las dos ramas de la salida diferencial respecto del potencial de masa o de referencia). Esto permite que la tensión de salida diferencial “flote” con la tensión en modo común de la carga, permitiendo de este modo excitar apropiadamente tanto las cargas equilibradas como las cargas referidas a masa. Este comportamiento es similar al de un transformador de salida, en el cual la impedancia de salida diferencia es determinada por la impedancia fuente que excita el bobinado primario reflejado en el bobinado secundario (salida), mientras que la impedancia de cualquiera de las dos ramas del bobinado secundario a masa es bastante elevada, siendo determinada principalmente por capacitancia parásita a partir del bobinado secundario a masa. Una consecuencia de esta disposición es que las corrientes de salida que salen de las dos ramas de la salida equilibrada son sustancialmente iguales en magnitud y opuestas en polaridad sin tener en cuenta la configuración de carga.

Un circuito ampliamente usado descrito en 1980 (T. Hay “Differential Technology in Recording Consoles and the Impact of Transformerless Circuitry on Grounding Technique”, presentada en la 67th Convention of the Audio Engineering Society, Journal of Audio Engineering Society (Abstracts), vol 28, p 924 (Diciembre de 1980)) se muestra en la figura 1. Acepta una tensión de entada asimétrica vin respecto de masa en el terminal IN. Produce una tensión de salida diferencial (igual a dos veces la tensión de entrada) entre dos nudos OUT+ y OUT- (SALIDA + -). Este circuito consigue los objetivos deseados respecto de las impedancias de salida diferencia y en modo común. En un funcionamiento normal, la impedancia de salida diferencial se determina sustancialmente por la suma de las resistencias de salida RO1 y RO2, ya que la realimentación negativa alrededor de los amplificadores operativos OA1 y OA2 reduce sus impedancias de salida en bucle cerrado interno. RO1 y RO2 se encuentran típicamente entre 10 y 100 ohmios para mantener relativamente baja la impedancia de salida diferencial. La impedancia de salida en modo común es bastante elevada, y puede ser infinita si las relaciones de las resistencias marcadas como R y 2R en el esquema se mantienen con precisión. Se ha de observar que los desequilibrios en estas relaciones de resistencia se pueden reducir, además, la impedancia de salida en modo común si los desequilibrios se encuentran en una dirección, o pueden conducir a una inestabilidad si se encuentran en la otra dirección. Esta condición para la coincidencia precisa de relación de resistencia es un inconveniente para este circuito.

Será evidente que el comportamiento en modo común del circuito de la figura 1 está gobernado por ambos amplificadores operacionales, OA1 y OA2. Cuando se excita una carga asimétrica, como en la figura 2, la realimentación en modo común combinada obliga a la corriente de salida a ser idéntica y opuesta (lo que supone relaciones de resistencia iguales alrededor de los amplificadores operacionales). Este comportamiento es una de las propiedades más deseables de tales circuitos. Sin embargo, si se aplica una señal de entrada al terminal IN esto hace que la señal de salida en la salida sin conexión a tierra (en este cado, OUT+), sobrepase el máximo permitido por la tensión de fuente de alimentación, se rompen tanto los bucles de realimentación diferencial como en modo común. Como es esperable, la forma de onda de tensión de salida diferencial en la salida OUT+ se “descretaría” en la tensión de salida máxima de los amplificadores operaciones. Su corriente de salida será la tensión de salida dividida por la resistencia de carga. Lo que no es evidente es que, mientras se produce el descrestado, la corriente de salida de la salida OUT- conectada a tierra será bastante alta, típicamente limitada solamente por cualquier circuito protector de limitación de corriente en el amplificador operacional, o por la tensión de salida máxima de los amplificadores operaciones dividida por el valor de la resistencia de salida de 10 a 100 ohmios. Esta corriente debe fluir a través de una trayectoria intermedia a través de la estructura de masa del dispositivo de carga para volver a la etapa de salida, que puede conducir a perturbaciones en la forma de onda de audio que son más audible que un simple descrestado.

Se describe un enfoque alternativo a un circuito de salida equilibrada flotante en 1990 por Chris Strahm en la patente de los Estados Unidos 4.979.218. El circuito de Strahm incluye bucles de realimentación separados para señales de salida diferencia y en modo común. El bucle diferencial se configura para obligar a la tensión de salida diferencial a igualar sustancialmente la tensión de entrada multiplicada por alguna ganancia deseada. Esto abre, al menos, la posibilidad de prevenir el comportamiento de descrestado y las perturbaciones de forma de onda de audio descritas anteriormente. Igualmente, como se describe en la patente de Strahm, las relaciones de resistencia precisas no son necesarias para mantener la estabilidad del circuito.

Aunque no se menciona en la patente de Strahm, con el fin de prevenir una limitación de corriente de una salida conectada a tierra de tal circuito cuando se excita la salida activa en el descrestado de tensión, el bucle de realimentación en modo común debe permanecer activo incluso si el bucle de realimentación diferencial está inhibido. De hecho el dispositivo de circuito integrado fabricado por el cesionario (Audio Teknology Inc) basada en la patente de Strahm se realiza de manera que no preserva la funcionalidad del bucle de realimentación en modo común cuando se rompe el bucle de realimentación diferencial debido al descrestado de tensión en una carga conectada de tierra. Como se muestra en la figura 3, un par diferencial de transistores, Q1 y Q2 aceptan la señal de entrada y la señal de realimentación diferencial. El transistor Q3 proporciona la corriente de cola Icola para el par diferencial. Q3 es controlado por la señal de realimentación en modo común. En este caso, la señal de realimentación en modo común se deriva presentando la suma de las corrientes de salida del dispositivo, como se describe en la patente de Strahm. De este modo, se ajusta la tensión de valida en modo común por realimentación a través de Icola hasta que las dos corrientes de salida del dispositivo sumen casi cero, y que de este modo, sean casi idénticas y opuestas. Cuando se produce el descrestado de tensión en una de las dos tensiones de amplificador, uno de Q1 o Q2 se saturará mientras que la otra se cortará. Si el circuito está excitando una carga referida a masa desde el amplificador de salida que es excitado por el transistor cortado, entonces no hay manera de que Q3 afecte a la tensión de salida y la realimentación en modo común se inhibe. Sin la realimentación en modo común para mantener el control sobre las corrientes de salida, el amplificador de salida conectado a tierra conduce tanto corriente como lo permiten otros aspectos del diseño del amplificador, tal como la limitación protectora de corriente.

Otro ejemplo de un amplificador de transconductancia operacional totalmente diferencial que comprende control de realimentación diferencial en modo común se ofrece en el documento US 549 1447.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un dibujo esquemático de un circuito de la técnica anterior que usa realimentación... [Seguir leyendo]

1. Circuito de salida equilibrada flotante destinado a una tensión de salida diferencial en respuesta a una tensión de entrada, con una impedancia de salida diferencial relativamente baja y una impedancia de salida en modo común relativamente elevada, que comprende:

una primera sección de amplificador de transconductancia (1) para proporcionar un par diferencial de corrientes de salida (i1, i2) en respuesta a la tensión de entrada, siendo las corrientes (i1, i2) sustancialmente iguales en magnitud y opuestas en polaridad, y una sección posterior (9) conectada para generar de este modo una señal de salida en respuesta al par de corrientes de salida del primer amplificador de transconductancia,

una configuración (R3, R4) de bucle de realimentación diferencial conectada alrededor de la primera sección de amplificador de tranconductancia (1) para de este modo proporcionar una realimentación negativa diferencial; y

una configuración de bucle de realimentación en modo común que comprende una segunda sección de amplificador de transconductancia (8) conectada alrededor de la posterior sección (9) para de este modo añadir respectivamente un par de corrientes (i3, i4) de salida sustancialmente coincidentes con la corriente de salida de la primera etapa (1) de transconductancia en respuesta a la señal de salida;

en el cual el primer y el segundo amplificadores (1, 8) de transconductancia están diseñados para que la configuración de bucle de realimentación en modo común siga activa cuando la configuración de bucle diferencial se ha inhibido debido al descrestado cuando la tensión de entrada sobrepasa un nivel predefinido.

2. Circuito según la reivindicación 1 en el cual la posterior sección comprende una sección intermedia (9) conectada para generar una tensión diferencial intermedia (V1, V2) en respuesta al par de corrientes de salida (i1, i2), del primer amplificador de transconductancia (1), incluyendo, además, el circuito una sección de salida (R9, R10) para generar una tensión de salida diferencial (Vout) en respuesta a la tensión diferencial intermedia (V1, V2).

3. Circuito según la reivindicación 2 en el cual la configuración (R3, R4) de bucle de realimentación diferencial se conecta alrededor de la primera sección (1) de amplificador de transconductancia y la sección intermedia (9) para proporcionar realimentación negativa diferencial en respuesta a la tensión diferencial intermedia (V1, V2); y la segunda sección (8) de amplificador de transconductancia se conecta alrededor de la sección intermedia (9) para añadir respectivamente un par de corrientes (i3, i4) sustancialmente coincidentes a las corrientes (i1, i2) de salida de la primera etapa (1) de amplificador de transconductancia en respuesta a la corriente en modo común.

4. Circuito según la reivindicación 2 o 3 que incluye, además, un amplificador operativo totalmente diferencial que comprende el primer amplificador de transconductancia (1) y la sección intermedia (9).

5. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual las magnitudes de las corrientes de salida máximas del segundo amplificador (8) de transconductancia son superiores a las magnitudes de las corrientes de salida máximas del primer amplificador (1) de transconductancia.

6. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, una entrada (R1, R2) acoplada al primer amplificador (1) de transconductancia configurada para recibir una tensión de entrada diferencial (Vin).

7. Circuito según cualquiera de las 1 a 4, que comprende una entrada (R1, R2) acoplada al primer amplificador (1) de transconductancia configurada para recibir una tensión de entrada asimétrica.

8. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el cual la configuración de bucle de realimentación en modo común incluye una sección (R9, R10) de detección de corrientes que está configurada para detectar la corriente de salida de modo común y aplicar un voltaje proporcional a dicha corriente de salida de modo común a las entradas de dicho amplificador de transconductancia de sección (8).

9. Un circuito según la reivindicación 8, donde la sección (R9, R10) de detección de corrientes incluye un par de resistencias de salida idénticas (R9, R10) en serie con dichas dos salidas de la sección intermedia (9), y un puente de cuatro resistencias (R5, R6, R7, R8) configurado para producir una tensión de salida proporcional a la suma de las corrientes en dichas resistencias de salida idénticas (R9, R10).

10. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye, además, un desacoplador para desacoplar el puente de resistencias (R5, R6, R7, R8) de las cargas reactivas conectadas a la salida del circuito a altas frecuencias.

11. Circuito según la reivindicación 10, en el cual el desacoplador incluye un condensador (C2) que conecta una salida del puente (R5, R6, R7, R8) a masa.

12. Circuito según la reivindicación 11, en el cual dicha tensión proporcional a dichas corrientes de salida en modo común está acoplada en corriente alterna a dicho puente de resistencias (R5, R6, R7, R8) con un par de condensadores (C3, C4) y un par de resistencias (R21, R22) a masa.

13. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual dicho amplificador (1) de transconductancia comprende un par diferencial de transistores (Q1, Q2) con una fuente de corriente emisora (L1) y una carga de fuente de corriente (I2, I3) para cada colector de dicho par diferencial de transistores (Q1, Q2).

14. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la configuración de bucle de realimentación en modo común incluye una sección (R9, R10) de detección de corriente que está configurada para detectar la corriente de salida en modo común y aplicar una tensión proporcional a dicha corriente de salida en modo común a las entradas de dicho segundo amplificador (8) de transconductancia, y el segundo amplificador (8) de transconductancia comprende una configuración de transistor diferencial que tiene un primer y un segundo transistores (Q3, Q5) cuyas bases están conectadas para que la tensión aplicada desde la sección de detección de corriente, y un tercer transistor (Q4) conectado a su base ligada a la base del segundo transistor, y los colectores del segundo y el tercer transistores (Q4, Q5) estando acoplados respectivamente a la salida del segundo amplificador (8) de transconductancia.

15. Circuito según la reivindicación 14, en el cual el área emisora del primer transmisor (Q3) es el doble del área emisora de cada uno del segundo y tercer transistores (Q5, Q4) .

16. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual dicha tensión proporcional a dichas corriente de salida en modo común se acopla en corriente alterna a dicho amplificador de transconductancia de entrada diferencial y salida doble (8), para de este modo minimizar el efecto de cualquier tensión de polarización aplicada a la entrada del segundo amplificador (8) de transconductancia.

17. Circuito según la reivindicación 16, en el cual dicha tensión proporcional a dichas corrientes de salida en modo común está conectada en corriente alterna a la entrada del segundo amplificador (8) de transconductancia.

18. Procedimiento de configuración de un circuito de salida equilibrada flotante destinado proporcionar a una tensión de salida diferencial en respuesta a una tensión de entrada, con una impedancia de salida diferencial relativamente baja y una impedancia de salida en modo común relativamente elevada, que comprende:

proporcionar un par diferencial de corrientes de salida (i1, i2) en respuesta a la tensión de entrada (Vin), mediante una primera sección (1) de amplificador de transconductancia, siendo las corrientes (i1, i2) sustancialmente iguales en magnitud y opuestas en polaridad,

generar una señal de salida en respuesta al par de corrientes de salida (i1, i2) del primer amplificador (1) de transconductancia mediante una sección posterior (9) ;conectada para generar de este modo;

proporcionar una realimentación negativa diferencial mediante una configuración (R3, R4) de bucle de realimentación diferencial conectada alrededor de la primera sección de amplificador de transconductancia;

añadir respectivamente un par de corrientes (i3, i4) de salida sustancialmente coincidentes a la corriente de salida de la primera etapa (1) de transconductancia mediante una configuración de bucle de realimentación en modo común que comprende una segunda sección (8) de transconductancia conectada alrededor de la posterior sección (9) en respuesta a la señal de salida;

en el cual el primer y el segundo amplificadores (1, 8) de transconductancia están diseñados para que la configuración de bucle de realimentación en modo común siga activa cuando la configuración de bucle diferencial se ha inhibido debido al descrestado cuando la tensión de entrada sobrepasa un nivel predefinido.

19. Procedimiento según la reivindicación 18, en el cual la primera sección de amplificador de transconductancia proporciona el par diferencial de corrientes de salida en respuesta a la tensión de entrada, siendo las corrientes sustancialmente iguales en magnitud y opuestas en polaridad; y la posterior sección se conecta para generar una tensión diferencial intermedia en respuesta al par de corrientes de salida del primer amplificador de transconductancia, estando el circuito, además, conectado y configurado para comprende una sección de salida para generar una tensión de salida diferencial en respuesta a la tensión diferencial intermedia.

20. Procedimiento según la reivindicación 18 o 19, en el cual la configuración de bucle de realimentación diferencial se conecta alrededor de la primera sección de amplificador de transconductancia y la sección intermedia para de este modo proporcionar realimentación negativa diferencial en respuesta a la tensión diferencial intermedia; y la segunda sección de amplificador de transconductancia se conecta alrededor de la sección intermedia de manera a añadir respectivamente un par de corrientes sustancialmente coincidentes a las corrientes de salida de la primera etapa de amplificador de transconductancia en respuesta a la corriente en modo común.