Ingeniero en Electrónica

Amplificador diferencial

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PRACTICA 3

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

El amplificador diferencial es un circuito versátil que sirve como etapa de entrada para la mayoría de los amplifica-dores operacionales y también encuentra su aplicación en cir-cuitos integrados como el comparador y la puerta lógica acoplada por emisor.

En la figura 3.1 esta representada la configuración básica. El esquema 8indica que el circuito tiene dos entradas v1 y v2 y tres salidas vo1,vo2 y vo1-vo2. La importancia del amplificador diferencial estriba en el hecho de que las sali-das son proporcionales a la diferencia entre las dos señales de entrada, como vamos a ver. Así pues, el circuito se puede utilizar para amplificar la diferencia entre las dos entra-das o amplificar una sola entrada conectando simplemente a masa la otra. Las características que distinguen las diversas salidas serán estudiadas en la exposición que sigue.

El amplificador diferencial que vamos a analizar en esta sección se supone que está fabricado en una pastilla de circuito integrado. Cuando éste es el caso, podemos suponer que los transistores T1 y T2 son idénticos y, por tanto, que existe una simetría entre ambas mitades del circuito.

SEÑALES EN LAS CONFIGURACIONES DE MODO COMUN Y DIFERENCIAL

Como el amplificador diferencial se utiliza más comúnmente para amplificar la diferencia entre las dos señales de entra-da, es adecuado expresar las entradas como sigue, de manera que resalte este hecho. Llamemos Vd a la diferencia entre las tensiones de entrada, por lo que

Vd=V2-V1

Esta es la tensión de entrada de modo diferencial. Para completar necesitaremos un término que designe el valor medio de las tensiones de entrada, que llamaremos Va. Resulta cómodo definir esta tensión por

Va=V2+V1

Puesto que Va es el promedio de las dos tensiones de entrada, se le denomina tensión de entrada de modo común.

Poniendo V1 y V2 en función de Va y Vd hallamos que

V2=Va+Vd/2

V1=Va-Vd/2

Por estas expresiones vemos que las tensiones de entrada pueden ser expresadas en función de una tensión de entrada de modo común y una tensión de entrada de modo diferencial.
En las aplicaciones usuales del amplificador diferencial, la entrada de modo diferencial es la señal deseada que se ampli-fica mientras la entrada de modo común debe ser suprimida o rechazada y por tanto no amplificada. Las definiciones ante-riores nos permiten analizar directamente el circuito en función de estas entradas de modo común y de modo diferencial y concentrarnos en los parámetros importantes del amplifica-dor diferencial. Para fines de ensayo podemos calcular fácil-mente señales de entrada que son totalmente de modo común o totalmente de modo diferencial. Por ejemplo si V1=-V2, Vd=2V2=-2V1. Por otra parte si V1=V2 la entrada de modo diferencial es cero y la entrada de modo común Va=V1=V2

ANALISIS DEL PUNTO Q

Cuando estudiábamos los amplificadores de una sola etapa vimos que la recta de carga (de c.a. o c.c.) definía comple-tamente la curva de funcionamiento del circuito de colector dentro de los límites de variación de la señal de entrada. Esta curva se mantiene como línea recta cuando el circuito contiene solamente 2resistencias y fuentes de tensión. Ahora estamos en una situación diferente; tenemos dos señales de entrada. Cada transistor funcionará dentro de una región de las características del colector a la que corresponden valores máximo y mínimo de las dos señales de entrada. En esta sección determinaremos las fronteras de la región de funcionamiento, esto nos conducirá a expresiones que se puede utilizar para asegurar que estas fronteras proporcionan un funcionamiento lineal en el margen previsible de variación de las señales de entrada. El análisis se realiza mejor en función de las entradas de modo diferencial y de modo común definidas ya anteriormente.

Usualmente cuando deseamos determinar el punto Q de un amplificador diferencial ajustamos a cero la señal de entrada. Para el amplificador diferencial es apropiado partir del análisis del punto Q suponiendo que la entrada de modo diferencial es cero. Esto se consigue haciendo simplemente que las dos entradas sean iguales entonces tenemos que Va=V1=V2. Con este supuesto comenzamos observando que gracias a la simetría del circuito, podemos separar los emisores intercalando una resistencia de 2Re en cada rama de emisor como en la figura 3.3. Aplicando la segunda Ley de Kirchoff al circuito original de la figura podemos ver que la tensión de emisor no ha cambiado. En efecto

VE1=VE2=(iE1+iE2)Re-VEE

Cuando V1=V2, tendremos nuevamente, gracias a la simetría iE1=iE2=iE, por lo que

VE1=VE2=iE(2Re)-VEE

Esta tensión es justamente la misma que la tensión de emisor hallada en el circuito separado de la figura 3.3.

La ecuación de la recta de carga, que es valida cuando Va=V1=V2 se halla aplicando la ley de Kirchoff de tensiones en el bucle colector-emisor

VCE=VCC-icRc-iE(2Re)+VEE=VCC+VEE-ic(Rc+2RE)

La corriente de emisor se halla aplicando la ley de Kirchoff de tensiones al bucle base-emisor.

Va=IBRb+VBE+iE(2RE)-VEE

Como IB=IC/(hfe+1)

ic= Va+VEE-0.7

2Re+Rb/(hfe+1)

En la obtención de esta fórmula hemos despreciado el efecto de hie y considerado que VBE es constante. En este caso, la aproximación es excelente, puesto que la impedancia hie re-flejada en el emisor en la figura 3.3 es hie(hfe+1). Esta impedancia está en serie con 2Re que es una resistencia mucho mayor en la práctica.

La ecuación de la recta de carga esta representada en la figura. Cómo sólo está presente la entrada d modo común, la llamaremos recta de carga de modo común. Aquí, Q es el punto estático o de reposo obtenido ajustando a cero la entrada de modo común Va. Los puntos marcados Qmax y Qmin representan los puntos de trabajo obtenidos cuando la entrada de modo común Va varía desde su valor más positivo Va,max hasta su valor más negativo Va,min con la entrada de modo dife-

rencial igual a cero. Hay que señalar que se aplica la misma recta de carga a cada transistor, puesto que la corriente de colector de cada uno es la misma en tanto que las tensiones de entrada serán idénticas y la tensión de salida vo1-vo2 entre los colectores, será cero independientemente del valor de Vd en tanto que V1=V2. Las tensiones individuales de colector vo1 y vo2 variarán, sin embargo, con las variaciones de Va. Seguidamente determinaremos la extensión de esta variaciones.

Lo que acabamos de exponer determina la región de funcionamiento cuando la entrada de modo diferencial es cero. Debemos determinar el efecto de una entrada no nula de modo diferencial. Por tanto, sea v2=-v1=Vd/2. En este caso la entrada de modo común es nula y el punto estático o de reposo es el punto Q representado en la figura 3.4. Volviendo al circuito de la figura 3.1y poniendo V2=Vd/2 y V1=-Vd/2, vemos que, cuando v2 aumenta, también aumenta la corriente de emisor iE2 y cuando v1 disminuye, también disminuye la corriente iE1. Si las variaciones de v1 y v2 no son excesivas, el aumento de iE2 es igual a al disminución de iE1 y,por tanto no habrá variación de la corriente iE1+iE2 que circula por Re. Así pues, la tensión de emisor VE1=VE2 se mantiene fija cuando se aplica la señal de modo diferencial. Pero puesto que iE1 e iE2 están variando VCE1 y VCE2 deben variar también de modo que las variaciones de VCE son proporcionales a las variaciones de la corriente por la resistencia de colector.

O sea, utilizando la notación para pequeña señal

Vce1=-Rcic1

Vce2=-Rci2

Las ecuaciones son las correspondientes a la recta de carga de modo diferencial del amplificador diferencial y la pendiente de estas rectas de carga es -1/Rc.

La combinación de las rectas de carga de modo diferencial y de modo común define la región de funcionamiento de cada transistor. Como cada señal de entrada tendrá, en general presente ambas componentes, podemos establecer los confines de la región de funcionamiento si conocemos los valores máximo y mínimo de las señales o de sus Amplificador diferencial
componentes de modo diferencial y de modo común, respectiva-mente.

ANALISIS DE PEQUEÑA SEÑAL. Ahora que hemos determinado las condiciones necesarias para que el funcionamiento sea lineal concentremos nuestra atención en el funcionamiento en pequeña señal del amplificador diferencial. A este fin dibujemos el circuito equivalente de pequeña señal en que todos los componentes están reflejados en el emisor. Este circuito equivalente lo vemos en la figura 3.5.

En la figura 3.5.a si hemos ajustado Vd=0, se ve fácilmente que como consecuencia la simetría ie1=ie2. Haremos uso de esto para determinar ie1 e ie2 utilizando el principio de superposición. Para ello primero ajustaremos Vd=0 y determinaremos la corriente media de emisor, o de modo común, ie1=ie2=ia. Ajustaremos Va=0 y determinaremos la corriente media de emisor de modo diferencial ie2=-ie1 =id.

En la figura 3.6.a está representada el circuito de la figura 3.5.a cuando Vd=0. Puesto que la corriente que circula en Re es 2ia la tensión de emisor Ve=2Reia. Lo mismo que antes, a causa de la simetría, podemos separar Re en dos resistencias en paralelo (cada uno igual a 2Re)y partir el circuito en dos mitades para obtener el circuito equivalente reducido de la figura 3.6.b. Se ve que la tensión de emisor Ve es exactamente la misma en este circuito reducido que en el circuito de la figura 3.6.a. Utilizando la fig. 3.6.b hallamos la corriente de modo común.

ia= Va

2Re+hib+Rb/(hfe+1)

La figura 3.6.c es el circuito equivalente de la figura 3.5.a cuando Va=0. A causa de las polaridades de las dos fuentes, Ve=0. Por lo tanto este cirfcuito puede ser reducido al pre-sentado en la figura 3.6.d. La corriente id es

id= Vd/2

hib+Rb/(hfe+1)

Aplicando el teorema de superposición

ie1= Va - Vd/2

2Re+hib+Rb/(hfe+1) hib+Rb/(hfe+1)

ie2= Va + Vd/2

2Re+hib+Rb/(hfe+1) hib+Rb/(hfe+1)

Utilizando el circuito equivalente de salida representado en la figura 3.5.b y suponiendo ic=ie podemos determinar fácilmente Vo1,Vo2,Vo1-Vo2:

Vo1=-Rcic1= Rc/2 Vd - Rc Va

hib+Rb/(hfe+1) 2Re+hib+Rb/(hfe+1)

vo2=-Rcic2=- Rc/2 Vd - Rc Va

hib+Rb/(hfe+1) 2Re+hib+Rb/(hfe+1)

RELACION DE RECHAZO AL MODO COMUN

Podemos escribir las tensiones de 2salida vo1 y vo2 como sigue

Vo1=AdVd-AaVa

Vo2=-AdVd-AaVa

Donde Ad ganancia de modo diferencial, es

Ad= Rc/2

hib+Rb/(hfe+1)

y Aa, ganancia de modo común, es

Aa= Rc

2Re+hib+Rb/(hfe+1)

En un amplificador diferencial ideal la tensión de salida es proporcional a Vd y no depende de la tensión de modo común Va. Según esto, en un amplificador diferencial ideal Aa=0, Re tendría que ser infinita. Con el fin de medir la desviación con respecto al ideal, se utiliza una cantidad denominada relación de rechazo al modo común (CMRR) . Se define como la relación entre la ganancia de modo diferencial y la ganancia de modo común.

CMRR=Ad/Aa

Cuando se utilizan las ecuaciones arriba mostradas

CMRR= 2Re+hib+Rb/hfe

2(hib+Rb/hfe)

Así como ocurre realmente en la práctica , 2Re mucho mayor que hib+Rb/hfe, entonces

CMRR= Re

hib+Rb/hfe

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL CON FUENTE DE CORRIENTE CONSTANTE

Para hallar el valor máximo de la CMRR consideremos que puesto que hib=VT/ICQ

se puede escribir en la forma siguiente

CMRR= Re

VT/IEQ+Rb/hfe

Si Rb/hfe es pequeña tendremos

CMRR= ReIEQ

Por lo tanto sólo se puede aumentar el CMRR si aumentamos ReIEQ que es la caida de tensión en Re. Por supuesto que este proceso resulta limitado por la disipa-

ción de potencia en Re, la tensión disponible de la fuente de alimentación.

Los amplificadores diferenciales utilizados en la práctica suelen tener una fuente de corriente constante en lugar de Re como mostramos en la figura siguiente:

En este circuito el transistor T3 actúa como una fuente de corriente constante que proporciona corriente estática necesaria y una impedancia muy alta 1/hob3 vista desde el colector. Esta es la impedancia que sustituye a Re.

FUNCIONAMIENTO EN REPOSO

La corriente de reposo sin señal, llamada también estática ICQ3 suministrada por T3 es

ICQ3=VEE-VBB-0.7

R´e

Y es constante mientras T3 no esté saturado.

RECTA DE CARGA DE MODO COMUN

La recta de carga de modo común describe la variación de la corriente de colector iC1 en función de VCE1 cuando v1=v2=va teniendo en cuenta la simetría del circuito

ic1=ic2=1/2ic3

De aquí se deduce que la recta de carga para modo común para T1 y T2 es una línea horizontal.

La extensión de la recta de carga que es la variación de VCE1 en función de la entrada v1=v2=va puede obtenerse mediante la ley e Kirchoff de tensiones

Vc1=VCC-RcICQ1 y VE1=Va-RbIBQ1-0.7

Entonces

VCE1=VC1-VE1=VCC-RcICQ1-Va+0.7+RbICQ1/hfe

De forma similar, se puede ver que

VCE2=VCC-RcICQ2-Va+0.7+RbICQ2/hfe

De este modo se ve que VCE1 y VCE2 varía directamente con la señal de Va.

La variación positiva de la tensión de modo común debe ser restringida para que VCE1 sea mayor de 0.3 volts y la variación negativa no debe causara la saturación de T3, es decir VCE3 debe ser mayor de 0.3 volts .

RECTA DE CARGA DE MODO DIFERENCIAL

Cuando consideramos la entrada de modo común va=v1=v2 una variación de va produ-

cía una variación proporcional en VCE3. En el modo diferen-cial VCE3 es constante. Esto es, cuando Vd se incrementa la corriente de base iB1 crece mientras que iB2 se reduce. Las corrientes de colector ic1 e ic2 también cambian, provocando una disminución en la tensión de VCE1 y un aumento de VCE2. Escribiendo las ecuaciones de la ley de tensiones de Kirchoff de tensiones desde la alimentación VCC hasta VCE3 se tiene:

VCC=RciC1+VCE1+VC3

Por tanto

VCC-VC3=RcIC1+VCE1

Donde VCE3 es una constante. Si acudimos a la ecuación podemos ver que la pendiente de la recta de carga de modo diferencial es -1/Rc.

DESARROLLO

Análisis del espejo de corriente

-Vcc+ixRx+0.7-VEE=0

Proponiendo

Ix=10mA

Vcc=10V

VEE=-10V

Rx= Vcc+VEE-0.7 = 20-0.7 = 1.93K