UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

AMPLIFICADORES DIFERENCIALES

ELECTRONICA ANALOGICA II

Nombres: LUIS E. CAZAR TIBÁN JUILO A. LAYEDRA

JUAN G. ROBALINO PABLO YEPEZ

Curso: QUINTO “G1”

17.1 AMPLIFICADOR DIFERENCIAL:

Para el diseño de circuitos los componentes mas prácticos son resistencias, diodos, transistores, también se usan capacitares pequeños, hablamos en el rango de los pf. Es por eso que los diseñadores de circuitos integrados no pueden utilizar condensadores de acoplo y desacoplo, por esto ahora se elimina el condensador de desacoplo del emisor y se emplea el acoplamiento directo, pero si se utiliza un amplificador diferencial ya no tenemos que utilizar el condensador de desacoplo, además este amplificador diferencial se aplica como etapa de entrada en la mayoría de amplificadores operacionales integrados.

Entrada y salida diferencial:

En la siguiente figura podemos ver el amplificador diferencial, este tiene dos etapas en EC con dos resistencias en paralelo de emisor común. A pesar de las dos tensiones de entrada (v1 y v2) y las dos tensiones del colector (como se observa en la figura) al circuito se lo considera como una sola etapa, en este circuito no existe la frecuencia de corte inferior ya que como habíamos mencionado antes se elimino la necesidad de condensadores de acoplo y desacoplo.

Vout = Vc2 – Vc1 (17.1)

Vout= salida diferencial.

Idealmente podemos decir que el circuito es simétrico, por ende Vout = 0 cuando las dos de tensiones de entrada son iguales, cuando V1 es mayor que V2 el circuito tiene la polaridad que podemos observar en la figura y cundo V2 es mayor que V1 el circuito va a tener la polaridad opuesta a la que se muestra en la figura. A la primera entrada de voltaje se la llama entrada no inversora por que Vout ese encentra en fase conV1 y a la segunda entrada de voltaje se llama entrada inversora por que el Vout se encuentra desfasada 180 grados con respecto a V2.Cuando tenemos en el circuito las dos entradas de tensión a la entrada total de tensión se la llama entrada diferencial, esto es por que el voltaje de salida(Vout) es igual a la ganancia de voltaje multiplicada por la diferencia de las entradas de voltaje como se muestra en la siguiente formula:

Vout = AV (V1 – V2)

Terminal de salida único:

Una salida diferencial necesita una carga flotante por que ninguno de los extremos puede estar conectado a tierra, esto podría ser un inconveniente por que las cargas tienen solo una salida y el otro conectado a tierra.

En la siguiente figura (17.2) podemos ver un esquema muy utilizado para los amplificadores diferenciales aquí veremos como se alimenta la carga de un Terminal. Como la entrada es diferencial el voltaje de salida todavía será determina por AV (V1 – V2), pero como ahora solo tenemos una salida de voltaje la ganancia de voltaje solo será la mitad de lo que era con entrada y salida de diferenciales esto es por que el voltaje de salida se toma solo de un colector.

Configuración con entrada no inversora:

Cuando solo se activa una entrada tenemos que el voltaje de salida va a ser igual a.

Vout = - AV1 (17.3)

En la figura (17.3 b) vemos la configuración del amplificador diferencial con una entrada no inversora como ya habíamos mencionado esto quiere decir que Vout esta en fase con V1, y una salida de un Terminal.Vout va hacer el mismo pero la ganancia de voltaje va hacer la mitad por que la salida solo se toma de una Terminal como podemos observar en la figura.

Configuraciones con entrada inversora:

Si V2 es la entrada activa tenemos:

Vout = - AV2

El signo menos indica la inversión de fase. ( figura 17.4 a y b)

17.2 ANALISIS EN CONTINUA DE UN AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

Para este análisis se supondrá que las resistencias del colector son iguales al igual que los transistores, además también veremos que las bases se encuentran conectadas a tierra (como se muestra en la siguiente figura). (17.5 a y b)

Análisis ideal

A la corriente que pasa por la Rc se la denomina corriente de polarizacion, si no se toma en cuneta los voltajes a través de los diodos del emisor entonces todo el voltaje VEE se genera a través de Re en consecuencia la corriente de polarizacion seria:

Cuando se encuentran iguales las dos mitades del circuito como vemos en la figura (17.5ª) cada transistor tendrá una corriente de emisor

Entonces:

Vc = Vcc – Ic x Rc

Segunda aproximación

Para un mejor análisis se toma en cuenta el voltaje de Vbe a través de cada diodo emisor. Tomando en cuenta esto (fig 17.5 b) tenemos que la corriente de polarización es:

Vbe: 0.7 voltaje del diodo de silicio

Efecto de las resistencias de base en la corriente de polarizacion

Las resistencias de base tienen un efecto despreciable en la corriente de polarizacion que es lo que nos interesa pero estas pueden producir voltajes de entrada erróneos cuando las dos mitades del amplificador no son igualmente simétricas, pero si se tomaran en cuenta estas resistencias su formula seria:

EJEMPLO 17.1

¿Cuales son las corrientes y tensiones ideales en la figura 17.6a?

La corriente del emisor es la mitad de la corriente de polarizacion:

Cada colector tiene una tensión de polarizacion de aproximadamente:

Vc= 15 V – (1mA) (5k ) = 10 V

EJEMPLO 17.2

¿Calcular las corrientes y tensiones para la figura 17.6ª usando la segunda aproximación?

Cada corriente de emisor es la mitad de la corriente de polarizacion:

Cada colector tiene una tensión de polarizacion de:

Vc = 15V – (0.955 mA) (k ) = 10.2V

Como vimos en el ejemplo 1 y dos las repuestas son casi iguales y es casi mínima la diferencia numérica, eso quiere decir que el análisis ideal es muy útil en muchas ecuaciones pero si queremos tener mas precisión debemos usar la segunda aproximación.

EJEMPLO 17.3

¿Cuales son las corrientes y las tensiones en el circuito de la figura 17.7a con un Terminal de salida?

Cada corriente de emisor es la mitad de la corriente de polarizacion:

El colector de la derecha tiene una tensión de polarizacion de aproximadamente:

Vc = 12 V – (1.2 mA) (3k ) = 8.4 V

Y el de la izquierda, de 12 V, con la segunda aproximación se puede calcular:

Análisis en Alterna de un Amplificador DiferencialTeoría de Funcionamiento:Q1 actúa como seguidor de emisor que produce una tensión alterna en de la mitad de

la entrada .

En la mitad positiva del ciclo de la corriente de emisor de Q1 crece mientras que la

de Q2 decrece y la tensión del colector Q2 se incrementa, en la mitad negativa del ciclo

sucede lo contrario. Esto hace que la señal amplificada de salida esté en fase con .

Ganancia en el Terminal de Salida Único:En el circuito equivalente, está en paralelo con de Q2, como es mucho

mayor en un diseño práctico entonces no se lo puede no tomar en cuenta.

En el circuito equivalente simplificado, está en paralelo con las 2 por lo que la

tensión en es su mitad.

y

Entonces

Se refiere a cualquier cambio de la tensión en reposo o en el punto de trabajo, por

lo que la tensión continua de polarización de no forma parte de la salida.

Ganancia en la Salida Diferencial:La tensión de salida es el doble por las dos .

Entonces Salida Diferencial:

Configuraciones con Entrada Inversora

El análisis es idéntico al de entrada no inversora. Produce una entrada de salida

amplificada e invertida.

La tensión en es la mitad de .

Con una salida diferencial la ganancia de tensión es el doble.

Configuraciones con Entrada Diferencial:Tienen ambas entradas activas al mismo tiempo de modo que utilizando el teorema de superposición podemos combinar la entrada no inversora y la inversora.

y

Entonces

Tabla de Ganancias de Tensión:Entrada Salida ADiferencial Diferencial

Diferencial Terminal único

Terminal único Diferencial o

Terminal único Terminal único o

La ganancia de tensión es máxima con salida diferencial y dividida para 2 con un solo terminal de salida.Impedancia de Entrada:En una etapa EC la impedancia de entrada de la base es:

Y en un amplificador diferencial la impedancia de entrada de cada base es:

Ejemplo 17-4En la figura, ¿cuál es la tensión alterna de salida? Si β=300, ¿Cuánto vale la impedancia de entrada del amplificador diferencial?

Solución:En el circuito equivalente en el ejemplo 17-1 idealmente hay 15 V en la resistencia de emisor que producen una corriente de polarización de 2 mA, entonces la corriente continua de emisor de cada transistor es:

La resistencia de emisor para señal es:

La ganancia de tensión es:

La tensión alterna de salida vale:

Y la impedancia de entrada del amplificador diferencial es:

Ejemplo 17-5Repetir el ejemplo anterior usando la segunda aproximación para calcular la corriente de emisor en el punto de trabajo.Solución:En el ejemplo 17-2 se calculó una corriente continua de emisor de:

La resistencia de emisor para la señal es:

Como el circuito tiene una salida diferencial, la ganancia de tensión es:

La tensión alterna de salida es:

Y la impedancia de entrada del amplificador diferencial es:

Si el circuito se estimula con EWB, se obtienen los siguientes valores para transistores 2N3904:

Ejemplo 17-6

Repetir el ejemplo 17-4 para y

Solución:Ahora se excita la entrada inversora en lugar de la no inversora. Idealmente, la tensión de salida tiene la misma magnitud, 200mV, pero está invertida. La impedancia de entrada es aproximadamente 15kΩ.Ejemplo 17-7¿Cuál es la tensión alterna de salida en la figura si β=300? ¿Qué valor toma la impedancia de entrada del amplificador diferencial?

Solución:Idealmente, existen 15V a través de la resistencia de emisor, así que la corriente de polarización es:

Como la corriente de emisor en cada transistor es la mitad de la corriente de polarización:

La ganancia de tensión para la salida de un terminal vale:

La tensión alterna de salida es:

Y la impedancia de entrada de la base:

CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONALPara aplicaciones de precisión se necesitan: la corriente de polarización de entrada, la corriente y la tensión de offset de entrada (data sheets).Corriente de polarización de entrada:La de cada transistor en un AO integrado en la 1ra etapa es ligeramente diferente,

entonces:

En AO bipolares la está en los ηA y en AO JFET en el amplificador

diferencial de entrada está en los рA.

La va hacia las resistencias entre las bases y la masa, y pueden ser RTh de

las fuentes o discretos.

Corriente de Offset de Entrada:

Es:

Si los transistores son iguales

CORRIENTES DE BASE YOFFSETS

Para estas ecuaciones se considera siempre es mayor que ; si es lo

contrario se debe considerar lo contrario

EFECTO DE LA CORRIENTE DE BASE

En el primer caso la resistencia produce una entrada no deseada, pero podemos igualar poniendo una resistencia en el otro lado. Por lo tanto la corriente de base produce un voltaje de entrada no inversora.

Ejemplo

Si RB=1kΩ entonces el voltaje de error es

EFECTO DE LA CORRIENTE DE OFFSET DE ENTRADA

Para reducir el voltaje de error de salida se utiliza otra resistencia al otro lado del amplificador entonces la formula está dada por:

Ejemplo: Tomando los mismos datos del ejercicio anterior tenemos.

TENCION DE OFFSET DE ENTRADA

Si se tiene dos resistencias de colector diferentes entonces se obtiene un voltaje de offset en la salida.

la tensión de offset de entrada es la tensión de entrada que produciría la misma tensión error de salida .

EJEMPLO

EFECTOS COMBINADOS

La salida del amplificador operacional incluye a la señal deseada y la tensión de error. Entonces tenemos las siguientes ecuaciones.

y

Aparecen en las hojas de datos

RESISTENCIA DE BASE IGUALES

En este caso se considera las resistencias entonces tendremos

CONCLUCIÓN

En ciertas ocasiones la tensión de offset de salida es muy pequeña, así que pude ser ignorada. En aplicaciones de precisión se la debe tomar en cuenta, además se debe tomar en cuenta las hojas características de los fabricantes.

EJEMPLO

SOLUCION

La tensión de offset de salida es:

GANANCIA EN MODO COMÚN

Se está aplicando la misma tensión de entrada a cada base. Esta señal se denomina una señal en modo común. Si el amplificador es perfectamente simétrico no existe tensión alterna de salida con una señal de entrada en modo común porque V1=V2. Cuando un amplificador diferencial no es perfectamente simétrico existirá una pequeña tensión alterna de salida.

Entonces la ganancia es:

Esta ganancia generalmente es menor a 1.

RELACIÓN DE RECHAZO AL MODO COMÚN

Es la ganancia de tensión dividida por la ganancia de tensión en modo común.

Es mejor si CMRR es bastante alto. En las hojas características normalmente especifican CMRR en decibelios, utilizando la siguiente fórmula de conversión:

EJEMPLO

¿Cuál es la ganancia de la tensión en modo común? ¿Y la tensión de salida?

17.6 Circuitos integrados

Los componentes ya no son discretos, sino integrados lo que significa que se producen y conectan durante el proceso de fabricación en un único chip, un pequeño pedazo de material semiconductor.

Un ejemplo simple

Sin considerar lo complicado que puede ser un circuito, su fabricación consiste principalmente en la apertura de ventanas, la formación de islas p y n. la conexión de componentes integrados. Como esencialmente las zonas de deplexion no tiene portadores de corriente, los componentes integrados se aíslan uno del otro. Este tipo de aislamiento se conoce como aislamiento de zonas de deplexion

Tipos de CI

Es el circuito más común de circuito integrado.Cuando se requiere potencia más alta se pueden utilizar CI de capa fina y de capa gruesa. Estos dispositivos son mayores que los CI monolíticos pero menores que los circuitos discretos. Con CI de capa fina o de capa gruesa, los componentes pasivos como resistencia y condensadores están integrados, pero los transistores y diodos se conectan como componentes discretos para formar un circuito completo.

Niveles de integración

Como regla general, SSI se refiere a los CI con menos de 12 componentes. La mayoría de los circuitos SSI utiliza resistencias, diodos y transistores bipolares integrados. Popularmente a los circuitos integrados también se les llama “chips”.La integración a media escala (MSI) se refiere a los CI que tienen de 12 a 100 componentes integrados por chip. Los transistores bipolares o transistores MOS (MOSFET en modo de enriquecimiento) se pueden emplear como transistores integrados de un CI. Además, la mayoría de los chips MSI utilizan componentes bipolares.Utilizando CI, existe una forma de incrementar la ganancia de tensión y la CMRR de un amplificador diferencial. La corriente a través de la resistencia viene dada por :

Si el diodo de compensación y el diodo emisor tienen idénticas curvas corriente-tensión, la corriente de colector será igual ala corriente por la resistencia: Utilizando CI es relativamente sencillo igualar la característica del diodo de compensación y el diodo emisor porque ambos componentes están en el mismo chip. Los espejos de corriente se utilizan como fuentes de corrientes y cargas activas en el diseño de CI y op amp.

El espejo de corrientes alimenta la corriente de polarizacion Con Terminal de salida único, la ganancia de tensión de un amplificador diferencial es

y la ganancia de tensión en modo común es v El

cociente entre ambas ganancias es:

CMRR=

Cuanto mas grande sea el valor de RE, mayor será el valor CMRR.Una forma de obtener una RE equivalente de valor grande consiste en utilizar un espejo de corriente para producir la corriente de polarizacion, como se ve en la figura 1729 la corriente a través del diodo de compensación es :

Debido al espejo de corriente, la corriente de polarizacion tiene el mismo valor.

Carga reactivaLa ganancia de tensión de un amplificador diferencial con Terminal de salida único es

. Cuanto mayor se haga RC, mayor será la ganancia de tensión

Como resultado la ganancia de tensión es mucho mayor con una carga activa que con una resistencia ordinaria. Este tipo de cargas activas se utilizan en la mayoría de los op amps

Amplificador diferencial cargadoEn la parte anterior de los amplificadores diferenciales no se utilizo una resistencia de carga. En el análisis es mucho mas complicado sobre todo en las salidas diferenciales.Existen algunas formas de calcular el efecto que produce esta resistencia de carga en la tensión de salida. Si será de resolver mediante ecuaciones de malla de Kirchhoff se tendrán grandes dificultades. Pero con el teorema de Thevenin el problema se soluciona más fácilmente.Si un amplificador diferencial tiene salida de un Terminal, el circuito equivalente de Thevenin se simplifica al de la figura 1731

Ejemplo 10-13 ¿Cuál es la tensión en la carga en la figura 17-32a cuando RL=15 kΩ?SoluciónIdealmente, la corriente de polarizacion es 2mA, la corriente de emisor es 1mA y r`e=25Ω. La ganancia de tensión en ausencia de carga es:

A=

La tensión de Thevenin o de salida en ausencia de carga toma un valor de:V

Ejemplo 17-14Se utiliza un amperímetro para la resistencia de carga de la figura anterior ¿Cuál es la corriente a través del amperímetro?Solución En la figura 17-32 la resistencia de carga es idealmente cero y la corriente por la carga vale:

Sin el teorema de Thevenin habría sido un problema muy difícil de resolver