Amplificador diferencial La configuración del amplificador diferencial tiene mucha aplicación en circuitos electrónicos, comunicaciones y principalmente en los amplificadores operacionales. Un amplificador diferencial es un amplificador BJT que produce salidas que son una función de la diferencia entre dos voltajes de entrada. El amplificador diferencial tiene dos modos de operación básicos: en modo diferencial (en el cual dos entradas son diferentes) y en modo común ( en el cual las dos entradas son iguales). El amplificador diferencial es importante en amplificadores operacionales El amplificador diferencial, se dice, es representativo de los amplificadores “acoplados directamente”, esto quiere decir que, si la señal que proporciona el generador viene montada sobre una señal de CD o de cero volts, el amplificador realizara su función, la de “amplificar”.
Operación básica A continuación, continuación, se muestra el circuito de un un amplificador amplificador diferencial diferencial básico. básico.
De esta figura se hace un análisis y tenemos que cuando ambas entradas están conec tadas a tierra (0 V), los emisores están a -0.7[v]. se supone que los transistores son idénticos de tal manera que:
Como ambas corrientes en los emisores se combinan por medio R E , tenemos :
2
Con base en la aproximación de que
≅ ≅ 2
Hay varias combinaciones posibles de señal de entrada: Si se aplica una señal de entrada a cualquiera de las dos entradas con la otra conectada a tierra, la operación se conoce como “sencilla”. Si se aplican dos señales de entrada de polaridad opuestas, la operación se conoce como doble. Si la misma señal de entrada se aplica a ambas entradas, la operación se denomina modo común. En operación sencilla se aplica un a sola señal de entrada. Sin embargo , debido a la conexión común de los emisores, la señal de entrada opera ambos transistores, y el resultado es una salida por ambos colectores. En operación doble se aplican dos señales de entrada, la diferenci a de las entradas produce salidas por ambos colectores debido a la diferencia de las señales aplicadas a ambas entradas. En operación en modo común, la señal de entrada común produce señales opuestas en cada colector; estas señales se anulan, de modo que la señal de salida resultante en cero. En la práctica, las señales opuestas no se anulan por completo y se obtiene una señal pequeña. La característica principal del amplificador diferencial es la ganancia muy grande cuando se aplican señales opuestas a las entradas, en comparación con la muy pequeña ganancia obtenida con entradas comunes. La relación rel ación de esta diferencia de ganancia gananc ia con la ganancia común se llama rechazo en modo común. Modos de operación de señal Entrada diferencial por una sola terminal cuando un amplificador diferencial opera con esta configuración de entrada, una entrada está conectada a tierra y el voltaje de señal se aplica solo a la otra entrada. Como se muestra a continuación. En el caso en que el voltaje de señal se aplique a la entrada 1, como se muestra. Como en el (a) de la figura siguiente, aparece un voltaje de señal simplificado invertido en la salida 1. Asimismo, un voltaje de señal aparece en fase en el emisor Q1. Como los emisores de Q1 y Q2 son comunes, la señal en el emisor se convierte en la entrada de Q2, el que funciona como amplificador en base común. Q2 amplifica la señal y aparece no invertida, en la salida 2. En el caso en que la señal se aplique a la entrada 2 con la 1 conectada a tierra como en la figura (b), aparece un voltaje de señal amplificada invertida en la salida 2. En esta situación, Q1 actúa como amplificador en base común y aparece una señal amplificada no invertida en la salida 1.
Entradas diferenciales por las dos terminales en esta configuración, se aplican dos señales de polaridad opuesta (desfasadas) a las entradas.
Entradas en modo común uno de los aspectos más importantes de la operación de un amplificador diferencial se pone de manifiesto cuando se considera la condición en modo común en la que se aplican dos voltajes de señal de la misma fase, frecuencia y amplitud a las dos entradas. La operación básica se entiende si se considera que cada señal de entrada actúa sola.
Si bien un amplificador diferencial proporciona en gran medida la amplificación de la diferencia de la señal aplicada a ambas entradas, también deberá proporcionar una amplificación un tanto pequeña de la señal común a ambas entradas. Cuando se aplican señales de entrada a ambas entradas, las salidas se sobrepones y se cancelas, y el resultado es un voltaje de salida cero (d) de la figura anterior.
Esta acción se llama rechazo en modo común. Su importancia radica en la situación en una señal no deseada aparece comúnmente en ambas entradas de un amplificador diferencial. Rechazo en modo común significa que esta señal no deseada no aparecerá en las salidas ni distorsionara la señal deseada. Las señales en modo común (ruido) en general son el resultado de la captación de energía irradiada en las líneas de entrada de líneas adyacentes, la línea de alimentación de 60 Hz u otras fuentes. La medida de la capacidad de rechazar señales en modo común es un parámetro llamado CMRR (razón de rechazo en modo común). Idealmente, un amplificador diferencial produce una ganancia muy alta con las señales deseadas (por una sola terminal o por las entradas diferenciales) y ganancia cero con señales en modo común. Los amplificadores prácticos, sin embargo, si presentan una muy pequeña ganancia en modo común (casi si empre menor que 1), al mismo tiempo que producen una alta ganancia de voltaje diferencial (en general de varios miles). Mientras más alta sea la ganancia diferencial con respecto a la ganancia en modo común, mejor será el desempeño del amplificador diferencial en función del rechazo de señales en modo común. Esto sugiere que una buena medida del desempeño de un amplificador diferencial al rechazar señales no deseadas en modo común es el cociente de la ganancia de voltaje diferencial A vd entre la ganancia en modo común, A vc. Este cociente es la razón de rechazo en modo común, CMRR.
Mientras más alta sea la CMRR, mejor. Un valor muy alto de CMRR significa que la ganancia diferencial A vd es alta y que la ganancia en modo común A vc es baja.
20log( )
Enunciado del problema Calcular el valor de las componentes del circuito siguiente para obtener una ganancia en voltaje en modo diferencial (desbalanceada), y , cuando . la relación de rechazo en modo común deberá ser
10.2
10 ≥ 40
Datos:
20 (se propone) 220 5[] 10 (se propone) ≥ 40
10 10.2 10.1[] 2 10 2 10.210 0.2[]
ℎ 1 1 2 25[ ℎ [ ] 25 ] ≅ 1 Calculo de
25[] 75[] 1 2 221 16.75[] 75 75[]221 1657.5[Ω]
Calculo de
2 2
De donde:
1 Despejando tenemos
4.018[] 1 4.018[] 10 401.8 [Ω] Calculo de
2 24.01810.10.6 17.536 ≅ 18[]
Calculo de
Calculo de
Calculo de
Calculo de
18 450[Ω] 218 20 18 ∗ 18 ∗1657.5 3107.81[Ω] 188.4 188.4
18 ∗1657.5 3551.78[Ω] 8.4
10 4.5[Ω
Desarrollo
, , ,, , e (corregir si es necesario). 26.5[] . 91.28[] . 11.4[] 26.4[] . 8.3[]
1. Efectuar la medición de
2. Realizar las mediciones de: a) Ganancia en voltaje en modo diferencial en forma desbalanceada en función de la frecuencia. Diferencial 1 Frecuencia (Hz) 500 5000 57000 53 10 1
90 [mV] 90 [mV] 90 [mV] 88 [mV] 14 [mV] 10 [mV]
1.8 [V] 1.78 [V] 1.78 [V] 1.68 [V] 280 [mV] 80 [mV]
=⁄ 20 19.77 19.77 19.09 20 8
20log 20log 26.02 dB 25.92 dB 25.92 dB 25.61 dB 26.02 dB 18.06 b
Diferencial 2 Frecuencia (Hz) 500 5000 57000 53 10 1
90 [mV] 90 [mV] 90 [mV] 88 [mV] 14 [mV] 10 [mV]
1.67 [V] 1.67 [V] 1.44 [V] 1.45 [V] 326 [mV] 5.7 [mV]
=⁄ 18.55 18.55 16 16.47 23.28 0.57
20log 20log 26.02 dB 25.92 dB 25.92 dB 25.61 dB 26.02 dB 18.07 b
b) Ganancia en voltaje en modo diferencial en forma balanceada en función de la frecuencia. Diferencial 1 Frecuencia (Hz) 500 5000 57000 53 10 1
20log 20log
2 40 39.54 39.54 38.18 40 16
32.02 dB 31.94 dB 31.94 dB 31.63 dB 32.02 dB 24.08 dB
Diferencial 2 Frecuencia (Hz) 500 5000 57000 53 10 1
20log 20log
2 37.1 37.1 32 32.94 46.56 1.14
31.38 31.38 30.10 30.35 33.36 1.13
dB dB dB dB dB dB
c) Ganancia en voltaje voltaje en modo común en forma desbalanceada en función de la frecuencia. Frecuencia (Hz) 3571 5000 4000 1250 1000
80 [mV] 80 [mV] 80 [mV] 40 [mV] 40 [mV]
d) Ganancia en voltaje en modo común en forma balanceada en función de la frecuencia. Frecuencia (Hz) 3571 5000 4000 1250 1000
160 [mV] 160 [mV] 160 [mV] 80 [mV] 80 [mV]
Resta Frecuencia (Hz) 500 5000 57000 53 1 0.1
Frecuencia (Hz) 500 5000 57000 5 1 0.1
560mV] 552[mV] 544[mV] 584[mV] 1[mV] 10 [mV]
1.24 [V] 1.28 [V] 1.24[V] 1.24 [V] 200 [mv] 40 [mv]
288 [mV] 300 [mV] 272 [mV] 300 [mV] 64 [mV] 80 [mV]
952 [mV] 980 [mV] 968 [mV] 980 [mV] 136 [mv] 40 [mV]
Conclusión
Los amplificadores diferenciales son de gran importancia ya que sus aplicaciones van desde un amperímetro clásico, para eliminar ruido en señales de baja calidad; pero uno de los usos más extendidos de los amplificadores diferenciales es la estabilización de sistemas. Un amplificador diferencial es aquel que a la salida tiene solo presente la componente diferencial, o sea que rechaza las señales a modo común, amplificando solo las señales a modo diferencial. Para esto se define un factor que evalúa la capacidad de rechazo del circuito a las señales a modo común frente a la capacidad de amplificar las señales a modo diferencial. Se entiende por señal en modo común cuando el voltaje − y el voltaje + son iguales, entonces existe una pequeña señal de salida que idealmente se desea sea cero. En el análisis notamos que cuando se aplica una tensión de entrada diferencial, la suma de corriente en ambos transistores se mantiene constante, esto signifi ca que un incremento de corriente en un transistor origina una disminución de corriente en la misma proporción en el otro transistor. Notamos también como en la teoría que el potencial de emisor en los transistores T1 y T2 es constante e igual al potencial en ausencia de señal, entonces el emisor se comporta como una tierra virtual para las señales a modo diferencial. En la práctica se manejan conceptos como desbalance, esto se refiere a que en la práctica se presenta una tensión de desajuste, que debe a diferencias en las características de los transistores; ya que idealmente se quiere que la diferencia de potencial entre las señales de entrada sea cero si son iguales. Aun cuando las características de entrada fuesen iguales, las posibles diferencias de β se traduce en diferencias en las corrientes de colector. Las caídas de tensión en las resistencias de colector resultan diferentes y se produce el desbalance de la tensión entre colectores.
Anexos:
