Por qué necesitamos nuevos amplificadores operacionales a pesar de tener ya tantos buenos

Es difícil determinar cuántos amplificadores operacionales distintos (op amps) están disponibles entre decenas de fabricantes, pero el número está en varios miles. Y eso sin contar esos amplificadores operacionales que son variaciones de un modelo base pero tienen especificaciones, grados de temperatura o embalaje ligeramente diferentes.

Estos bloques analógicos básicos, humildes pero versátiles proporcionan funciones críticas en los interfaces analógicas (AFE) de procesamiento de señal, filtros e interfaces de sensores. La lista de funciones de circuito necesarias siempre ha sido larga, y se está haciendo más larga debido a las exigencias de la inteligencia artificial (IA) de vanguardia, los controladores inteligentes y un sin número de otras aplicaciones que requieren sistemas para interactuar con el mundo real.

Teniendo en cuenta todos los amplificadores operacionales que ya existen en el mercado, desde especificaciones de gama media y suficientemente buenas hasta dispositivos de precisión excepcionales y de alto rendimiento, es tentador pensar que apenas hay necesidad de nuevos. Sin embargo, las recientes introducciones demuestran una vez más la ingenuidad de esa suposición.

Las últimas innovaciones en amplificadores operacionales ofrecen una deriva extremadamente baja.

He visto decenas de amplificadores operativos nuevos de proveedores grandes y medianos en el último año. Aunque algunos son muy específicos de aplicación, como diseños de alta tensión o aislamiento galvánico, la mayoría son bastante estándar pero destacan en algunas especificaciones.

Consideremos estos tres amplificadores operacionales recientemente introducidos que presentan una deriva extremadamente baja:

• Analog Devices presenta la serie MAX74810ARMZ-RL que es un amplificador operacional estabilizado por interruptor, de baja potencia, de doble canal, sin deriva, con bajo ruido, entradas de detección terrestre y salidas carril a carril, optimizado para una precisión total en condiciones de tiempo, temperatura y voltaje
• STMicroelectronics presenta la serie ETSZ901IYLT que es un amplificador operacional calificado como AEC-Q100 (de la línea TSZde amplificadores operacionales de ultra precisión de la compañía) que presume de deriva casi nula y compensación ultrabaja, ambos atributos críticos para el acondicionamiento de señal de sensores de alto rendimiento
• Texas Instruments presenta la serie TLV4888PWR que es un amplificador operacional CMOS de precisión de 36 voltios y 14 megahercios (MHz), estabilizado por interruptor, de deriva cero, de cuatro canales, compatible con multiplexores

Los dilemas paralelos entre proveedor y diseñador

Tanto los fabricantes como los usuarios de estos componentes omnipresentes tienen opiniones encontradas sobre los amplificadores operacionales antiguos. Los fabricantes quieren seguir fabricando las piezas antiguas con sus altos márgenes y una fabricación y pruebas predecibles, mientras que los usuarios las quieren por su rendimiento y sutilezas conocidas. Al mismo tiempo, ambos buscan los beneficios potenciales de los productos más recientes, incluyendo un bloqueo inmediato y a largo plazo (para los proveedores) y un mayor rendimiento (para los usuarios).

Aunque los amplificadores operacionales son bloques funcionalmente simples, tienen muchos parámetros importantes y a menudo sutiles. Aunque las pruebas necesarias y el análisis de datos posterior están altamente automatizados, aún requieren un tiempo y esfuerzo considerables para iniciar, completar y documentar.

Entre las especificaciones necesarias pero difíciles de probar se encuentran la corriente de polarización de entrada (I_B) frente a la temperatura, como se observa en el MAX74810ARMZ-RL (Figura 1).

Figura 1: Se muestra un gráfico de IB frente a temperatura para el MAX74810ARMZ-RL; estos gráficos son críticos para los diseñadores que implementan un AFE de precisión. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Las hojas técnicas de amplificadores operacionales suelen trazar la distribución del voltaje de desplazamiento de entrada (V_IO) entre miles de dispositivos probados. Estos gráficos, como el del TSZ901IYLT (Figura 2), aseguran a los usuarios que el proveedor tiene el proceso de producción bajo control, haciendo las simulaciones mucho más robustas y proporcionando confianza.

Figura 2: Graficadores como la distribución VIO para el TSZ901IYLT aseguran a los diseñadores que el proceso de producción está estrictamente controlado. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Los proveedores también deben señalar especificaciones máximas (o mínimas) para algunos parámetros, ya que los valores típicos son adecuados para estimaciones de primer nivel pero quedan cortos al realizar un análisis completo usando Spice u otras herramientas. Las tablas de amplificadores operacionales, como la del TLV4888PWR (Figura 3), especifican tanto valores típicos como máximos en todo el rango de temperatura para apoyar una evaluación de diseño consciente. Estos suelen proporcionarse en forma tabular, incluyendo valores típicos para parámetros como el voltaje de compensación y la corriente de polarización de entrada.

Figura 3: Una evaluación de diseño consciente de un dispositivo como el TLV4888PWR requiere valores típicos y máximos; los fabricantes de amplificadores operacionales los proporcionan en forma tabular si es apropiado. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

¿Qué gana el proveedor?

¿Merece la pena todo este esfuerzo de desarrollo y gasto de proveedores? Generalmente, sí. Un producto analógico exitoso puede ser una fuente de ingresos viable y de alto beneficio durante muchos años. Si un proveedor une la combinación adecuada de funciones, características y especificaciones de rendimiento, y la pieza se empareja con productos de clientes exitosos, hay muchas probabilidades de que el amplificador operacional se utilice tanto en la generación de corriente como en sus sucesoras. El resultado es que la pieza preferida antigua se desplaza.

Pero sustituir una pieza más antigua no es fácil. A diferencia de los procesadores, a menudo se elige un buen amplificador operacional para el circuito en lugar de ser diseñado y reemplazado. Entonces, ¿por qué los diseñadores son reacios a reemplazar un amplificador operativo antiguo y potencialmente inferior por uno más nuevo?

La razón es que los componentes analógicos son más propensos a sutilezas e idiosincrasias en el diseño, la disposición e incluso la fabricación que sus homólogos digitales. Los diseñadores experimentados de circuitos analógicos prefieren no cambiar a una nueva pieza y a su curva de aprendizaje asociada, salvo que haya razones de peso para hacerlo, mientras que los diseñadores centrados en lo digital no quieren pensar en los aspectos analógicos. Su forma de pensar es más bien: "Si funciona lo suficientemente bien, simplemente lo dejaremos estar y seguiremos adelante."

Para el proveedor y el diseñador, existen otros beneficios a largo plazo:

• Los procesos refinados de fabricación y pruebas reducen considerablemente las preocupaciones sobre la producción y la disponibilidad.
• La mejora de la experiencia en fabricación y los mayores rendimientos conducen a márgenes más altos para el proveedor.
• La pieza está en la lista de proveedores y componentes aprobados por el diseñador que muchos fabricantes mantienen de fábrica, así que no hay reparos corporativos en incluirla en la lista de materiales (BOM).

Un ejemplo que demuestra esta mentalidad de "no innovar" es el amplificador de instrumentación Burr-Brown INA133 (una topología especial de amplificador operacional). Este dispositivo se introdujo alrededor de 1998 y todavía se ofrece en una variedad de paquetes y categorías, como el INA133UA/2K5 de Texas Instruments (que adquirió Burr-Brown en 2000).

Por supuesto, el dilema con todos estos amplificadores operativos nuevos, complementados por otros antiguos, es cómo elegir el mejor para cada aplicación. Algunos diseñadores empiezan con unos pocos proveedores preferidos, otros con sugerencias de sus colegas. Aquí hay un caso en el que la IA puede ayudar: se introducen las especificaciones imprescindibles, las más fáciles de tener y los mínimos/máximos para otros parámetros, y usted recibe una lista ordenada de amplificadores operacionales adecuados.

Sería un punto de partida interesante, pero no hay nada mejor que la documentación y las conversaciones individuales con su proveedor de contacto a la vez que se reducen sus opciones y realmente entiende las particularidades de estos dispositivos.

Conclusión

La ola continua de nuevos amplificadores operacionales, a pesar de los miles de versiones muy buenas ya disponibles, demuestra que siempre hay necesidad de mejores piezas. Estos dispositivos pueden mejorar ligeramente en rendimiento general o mejorarse considerablemente en solo una o dos especificaciones críticas. En cualquier caso, un amplificador operacional nuevo exitoso puede tener una vida útil larga, minimizando los dolores de cabeza para el diseñador y maximizando el rendimiento y los márgenes para el fabricante.

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