Como funcionam os CTAs (ART705)

Os CTAs ou Charge Transfer Amplifiers não são componentes muito novos, existindo desde 1973, no entanto, as exigências de baixo consumo dos circuitos alimentados por baterias, principalmente os usados em telecomunicações, abriram numa nova gama de aplicações para esses componentes. Novas gerações de CTAs apareceram e com elas um novo recurso para os projetistas de equipamentos que antes, se baseavam em amplificadores operacionais comuns. Veja neste artigo o que são os CTAs e as suas novas gerações. Na última revisão de 2012, constatamos que a linha de componentes com as características descritas neste artigo aumentou. Assim, baseados nos ensinamentos teóricos deste artigo sugerimos procurar no site do autor (localizardatasheet) ou mesmo em mecanismos de buscas, tipos novos disponíveis para um novo projeto.

Os equipamentos alimentados por bateria, principalmente os usados em telecomunicações, aquisição de dados e outros exigem circuitos que tenham consumo muito baixo. Os conversores A/D usados em tais aplicações já podem ser elaborados usando tecnologias de baixo consumo, no entanto, esses elementos dos circuitos devem ser excitados por amplificadores operacionais.

Uma solução para a excitação desses estágios com um consumo muito baixo está no uso dos CTAs ou Charge Transfer Amplifiers. Hoje, os circuitos que empregam esta tecnologia estão se tornando comum e novos conceitos na elaboração dos CTAs devem melhorar ainda mais sua performance.

Os CTAs atuais são menores, mais precisos, não consomem quase energia e dissipam uma potência extremamente baixa, quando comparados aos amplificadores operacionais comuns.

 

O que é um CTA

Quando se analisar um amplificador comum, a característica principal que é levada em conta é a sua transcondutância. Esta característica associa uma variação da corrente de saída a uma variação da tensão de entrada. Se, num amplificador comum a carga for resistiva, conforme mostra a figura1, uma variação da tensão de entrada provoca uma variação correspondente da tensão sobre o resistor ou da tensão de saída.

 

Figura 1
Figura 1

 

Nos CTAs, entretanto, utiliza-se o termo inglês "transconveyance", que pode ser traduzido como "transcondução" ou "transveiculação", ja que ainda não existe um termo apropriado em nosso idioma.

Essa característica é definida para um amplificador que tenha como carga de saída um capacitor, conforme mostra a figura 2.

 

Figura 2
Figura 2

 

Neste caso, as variações da tensão entrada se traduzem em variações da carga de um capacitor. Como a carga de um capacitor é dada por Q = CV e C, a capacitância do capacitor de saída é fixa, essas variações da tensão de entrada se traduzem em variações da tensão nas armaduras do capacitor.

Como esses circuitos trabalham com cargas e não correntes, eles podem ser muito mais eficientes que os amplificadores comuns. Evidentemente, eles precisam de um circuito mais preciso e também precisam de um clock.

Além de um clock, os CTAs precisam ainda de um capacitor de saída que tipicamente tem valores entre 0,6 e 1 pF, o que para aplicações comuns é considerado um valor elevado, principalmente quando se trabalha com um conversor A/D. Os conversores A/D precisam de baixas capacitâncias de entrada.devido ao tempo necessário à estabilização.

Um outro problema para os CTAs está na necessidade de se usar três tensões de alimentação, ou seja, uma terceira tensão separada além da tensão positiva e negativa exigidas para um amplificador operacional comum. Esta terceira tensão é chamada de "pre-charge voltage" ou "tensão pré-carga", e tem por finalidade proporcionar uma polarização dinâmica, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3
Figura 3

 

Esta tensão exige que o chip do amplificador tenha uma etapa de referência de tensão interna adicional, o que implica em dissipação de potência e aumento do tamanho do componente.

Ainda deve ser considerado que os CTAs possuem uma tensão de offset imprevisível relativamente alta, da ordem de 15 mV ou mais, já que é difícil controlar as correntes parasitas, a injeção de corrente num capacitor além de outros problemas comuns quando se tem uma carga capacitiva.

Todos esses fatores fazem com que ainda existam algumas dificuldades que impedem a utilização dos CTAs em aplicações comuns.

 

Futuras Tecnologias

Atualmente estão sendo desenvolvidas novas tecnologias que visam evitar os problemas comuns a estes tipos de amplificadores, preservando, entretanto as suas características mais importantes. As novas gerações de CTAs devem alcançar velocidades que permitam trabalhar com dados de 10 bits e uma precisão que se estende a faixas de amostragens de 100 Hz a 50 MHz.

As tensões de operação devem ficar na faixa de 1 a 5 V e a potência dissipada deve ser mantida no menor valor possível.

Os novos dispositivos não terão capacitores de acoplamento de entrada, o que significa uma capacitância de entrada extremamente baixa, da ordem de 40 fF (f = femto = 10-15), enquanto os circuitos anteriores têm capacitâncias de 600 fF. O uso de arquitetura totalmente diferencial também melhorará as características de polarização.

Outro ponto importante nas novas arquiteturas é a eliminação da terceira tensão, "pre-charge", eliminando-se assim a necessidade de circuitos adicionais.

A configuração totalmente diferencial, permite que a tensão de offset seja reduzida de 15 mV para os tipos comuns para valores médios de 0 mV.

A dissipação de potência com 2,1 V para um dispositivo típico será de 0,5 uW por MHz, dependendo da arquitetura e de outros fatores como o ganho de tensão, valor do capacitor de saída, etc. Com uma alimentação de 1,5 V essa dissipação cairá para algo em torno de 300 nW por MHz.

 

Aplicações

Os circuitos básicos nos conversores A/D consistem em comparadores, não importando qual a sua arquitetura (delta-sigma, pipeline, aproximação sucessiva, etc.). Na figura 4 temos um circuito típico de um CTA totalmente diferencial, funcionando como comparador, com um Latch Dinâmico.

 

Figura 4
Figura 4

 

A capacitância de entrada do latch, da ordem de 70 fF funciona como carga para o CTA. Usando técnicas especiais, o offset do latch pode ser mantido abaixo de 20 mV. A potência dissipada pelo latch com alimentação de 2,1 V é de 1 uW por MHz, o que resulta numa dissipação total do circuito da ordem de 1,5 uW por MHz.

Um conversor A/D de 2 MHz, 10 bits consumiria menos de 400 uW por MHz de potência dinâmica, com alimentação de 2,1 V. Isso representa uma redução de 60% em relação aos componentes com tecnologias tradicionais.

A velocidade deste circuito foi limitada a 2 MHz, dados problemas de projeto, mas pode ser aumentada para 10 MHz, usando técnicas mais modernas de conversão de sinais.

 

Conclusão

Novas tecnologias de construção de CTAs podem levar a circuitos com consumos muito menos, maior estabilidade e velocidades de operação compatíveis com as exigências dos conversores A/D usados em equipamentos modernos.

Com o tempo, o uso de amplificadores do tipo Charge Transfer será comum neste tipo de aplicação. Os desenvolvedores e futuros projetistas devem estar atentos às novas tecnologias que vão aparecer nos próximos anos na forma de componentes totalmente inovadores.