NEWIN: Nuevo modo de conectar la fuente de señal

#1
Este thread lo inicio para procurar dar cierto orden e independencia de trato al tema en cuestión. El hallazgo tuvo su origen (casual) durante el desarrollo particular de este amplificador:
https://www.forosdeelectronica.com/posts/618414/
Y luego, tuvo una verificación práctica de algunas de sus ventajas aquí:

https://www.forosdeelectronica.com/...lizacion-amplificadores-mas-65355/#post833728

En apretada síntesis, NEWIN es un nuevo modo de conexión de la fuente de señal al esquema de un amplificador operacional en configuración no inversora, de modo de obtener una serie de ventajas técnicas. Para llevarlo a cabo, solo es requerido permutar adecuadamente la posición de determinados componentes de un esquema como el que se muestra a continuación (tradicional):

Esquema tradicional.jpg

En este esquema tradicional y conocido, se implementará la permutación para obtener luego la conexión NEWIN (en el esquema no se muestra la nueva modalidad de conexión). Es decir, se tiene la intención que pueda ser implementado sin agregar ni quitar nada de lo que ya existe en forma tradicional, solo intercambiar o permutar la posición de determinados componentes específicos.

La idea, por el momento, es ir mostrando todo lo que tengo desarrollado, simulado y verificado en la práctica, acerca de las bondades del nuevo modo de conexión en comparación con el tradicional y conocido. Luego, con el correr de los días (ó meses), de poder verificar la no existencia de precedentes del mismo, se procurará darle curso de patentamiento a través de algún organismo afín (lo cual tengo que ver cómo y de qué forma articularlo, para no fallar y perder en el primer y único intento). No es para nada fácil la situación y pueden existir un montón de riesgos :unsure:.

En principio, sobre el esquema mostrado y, simultáneamente, también sobre el conexionado NEWIN, se van a ir variando las resistencias R1 y R2 de modo de variar la ganancia de voltaje e ir viendo cómo va actuando NEWIN en la reducción de la THD. R1 y R2 van a tomar valores simultáneos de 12 K, 47 K, 100 K, 470 K y 1 M, de modo de obtener ganancias de 1,58 dB; 13,44 dB, 20 dB, 33,44 dB y 40 dB, respectivamente.

Comparativa Tradicional - Newin en Magnitud vs Frecuencia.jpg

En este gráfico, van a observar curvas de un mismo color que en algún punto se bifurcan: una es el esquema tradicional y otra es la modalidad NEWIN. La nueva modalidad logra una extensión de respuesta en baja frecuencia, manteniendo el resto sin cambios. Se observa, además, un cambio en la pendiente de atenuación en baja frecuencia en la nueva modalidad, comparada a la tradicional.

Comparativa Tradicional - Newin en THD vs Frecuencia.jpg

En este gráfico, hay una relación directa de colores con el anterior, a excepción que se obvió la curva roja de ganancia de 40 dB (por razones de limitación de la salida del Opamp).

Como puede observarse en las gráficas, en la medida que menos ganancia de voltaje tengamos, más impacto de cambio se obtiene con la permutación de componentes (reducción de THD y aumento de ancho de banda). Es interesante notar que la diferenciación en la THD se logra desde frecuencias cada vez más alejadas de la parte baja del espectro mientras menores sean las ganancias de voltaje global.

Otro aspecto interesante que estuve evaluando últimamente (aunque necesito corroborarlo exhaustivamente en la práctica), es que hay una mejora muy marcada en el PSRR. Las simulaciones las muestran, pero me quedan dudas por la magnitud de las mejoras (que aparecen muy importantes). Debo ser cauteloso al respecto, hasta tanto ir verificando todas y cada una de las mostradas mejoras (las cuales requieren de mucho tiempo disponible y, también, recursos).

Hasta ahora tengo corroboraciones del aumento del ancho de banda (incluso, con ecuaciones que permiten estimar cada punto de interés en el bode) y la mejora de la THD. En unos días, voy a intentar verificar lo del aumento del PSRR, que creo va a ser posible.

Comparativa Tradicional - Newin en PSRR vs Frecuencia.jpg

En este gráfico, se observa un aumento evidente del PSRR, aunque, como dije antes, hay que ser cautelosos por cómo pueda tomar los modelos de subcircuitos el simulador empleado (Multisim 13). Asimismo, cabe aclarar que también he verificado en simulaciones el aumento del PSRR en esquemas enteramente planteados en forma discreta (en el que al Opamp, se lo ha emulado con sendos transistores).

A continuación, se muestra una comparativa de análisis transitorio con ganancia de voltaje de 1,58 dB y aplicando señal de entrada cuadrada simétrica de 16 Hz y 0,14 V pico de amplitud. Como puede observarse, NEWIN copia muy bien una señal de entrada de baja frecuencia.

Comparativa análisis transitorio entre Tradicional - Newin.jpg

En este gráfico, no se superpuso la curva de señal de entrada porque coincidía visualmente con la de salida de NEWIN. Fué simplemente para conservar la claridad de los gráficos.

Por último, se efectúa un análisis transitorio de la salida para una señal de entrada de muy baja frecuencia (16 Hz) y amortiguada (emulando un golpe de bajo), para ver cómo es "seguida" por ambas variantes. Es un intento de mostrar cómo se comportarían los sistemas a condiciones lo más parecidas a una situación real. En NEWIN se ve claramente cómo la salida sigue perfectamente "sin atrasos" a la señal amortiguada, mientras que la opción tradicional tiene serias dificultades en hacerlo.

Comparativa análisis transitorio a señal amortiguada de entrada entre Tradicional - Newin.jpg

Es interesante notar cómo el sistema tradicional exagera la amplitud de los semiciclos negativos 2, 4, 6, etc. (comenzando a contar de izquierda a derecha) y resta impacto a los semiciclos positivos 1, 3, 5, 7, etc. NEWIN, en cambio, conserva la misma proporción de amplificación de cada semiciclo (sea positivo o negativo), respetando mucho más la intención original de la señal.

En la medida de lo posible y permitido, se van a ir contestando las inquietudes de los foristas acerca de esta nueva modalidad de conexión. Sepan entender algunas limitaciones de detalles, hasta tanto se pueda presentar finalmente.

Saludos

PD: si bien el esquema presentado es en torno a un Opamp, nada quita que pueda ser implementado en amplificadores de potencia que sigan esta misma disposición de esquema de bloques. Es un tema que pudo haber sido presentado indistintamente en "Audio pequeña señal" como en "Audio gran señal".
 
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#2
Aquí subo las comparativas de las envolventes del espectro de distorsión para distintas ganancias de voltaje y una misma señal senoidal de entrada de 0,1 V RMS y 16 Hz. Curvas en rojo = esquema tradicional; curvas en verde = NEWIN.

Las simulaciones fueron hechas a baja frecuencia, donde NEWIN muestra su mayor ventaja.

Saludos

Comparativa Tradicional - Newin en Envolvente a 16 Hz Gv = 1,6 dB.jpg

Comparativa Tradicional - Newin en Envolvente a 16 Hz Gv = 13,44 dB.jpg

Comparativa Tradicional - Newin en Envolvente a 16 Hz Gv = 20 dB.jpg

Comparativa Tradicional - Newin en Envolvente a 16 Hz Gv = 33,44 dB.jpg
 
#3
A continuación, se va a exponer cómo se modifica la frecuencia de corte inferior a - 3 dB (fci de ahora en más) variando en + - 20 % del valor nominal de C1, tanto en un esquema como en otro y para dos niveles de ganancia (1,58 dB y 33,44 dB; respectivamente). Luego, se hace lo mismo pero variando C2 en la misma proporción.

Modificación de la fci variando C1 G = 1,6 dB.jpg

Modificación de la fci variando C2 G = 1,6 dB.jpg

Modificación de la fci variando C1 G = 33,44 dB.jpg

Modificación de la fci variando C2 G = 33,44 dB.jpg

En la opción de bajas ganancias, NEWIN no altera visiblemente su fci variando ampliamente C1 (en la primera gráfica se ven superpuestas las 3 curvas verdes, mientras que el tradicional modifica su fci).

Opuestamente, cuando se varía C2, NEWIN muestra una variación de su fci mientras el tradicional queda visiblemente sin cambios.

En la opción de altas ganancias, si bien ambos sistemas muestran variaciones visibles, podría obtenerse algo de ventajas eligiendo convenientemente un condensador de buena estabilidad para C2 en la variante NEWIN.

Saludos
 
#4
Se ha simulado un muy simplificado amplificador totalmente discreto de dos etapas, de modo de evitar en la medida de todo lo posible que el simulador tome bloques predefinidos y/o idealizados (como podrían ser algunos de los parámetros de un opamp de su librería, por ejemplo). De esta forma, lo que se busca es que los resultados de la simulación sean lo más indicativos de la realidad de cambio en la implementación de la modalidad de conexión NEWIN.

Aquí el circuito:

Amplificador simple dos etapas.jpg

Véase que no se han empleado siquiera fuentes de corriente constante ideal para alimentar el par de entrada ni para el transistor de salida. La idea es que denote lo que tenga que denotar la nueva modalidad de conexión (es decir, sin los enmascaramientos que puedan dar las idealizaciones).

En el circuito, los valores de R4, R5, R6 y R7 no se muestran porque se han probado distintas combinaciones para analizar posibles mejoras a distintas ganancias. En general, andan por el orden de 1 a 10K, cada una.

Y aquí algunos resultados para ganancia baja, por ejemplo:

Comparativa de magnitud de salida en amplificador simple 2 etapas.jpg

Comparativa de THD en amplificador simple 2 etapas.jpg

Saludos

Conclusión: efectivamente, hay cambios a mejor, aunque no hay mejoras sustanciales en el PSRR a baja ganancia, que es lo que llevo hecho hasta el momento (en la simulación aparecen muy pequenísimas mejoras, pero debo seguir probando en otras ganancias, para que el resultado sea concluyente). Cuando disponga de un tiempo, armo el circuito para verificar si pueden existir mejoras reales en el PSRR (que con opamps de las librerías las muestra y en gran magnitud, aunque, como dije antes, debemos ser cautelosos en este aspecto y aguardar las mediciones reales).
 
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