INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITCNICO SANTIAGO MARIO EXTENSIN MATURN

AmplificadoresDiferenciales

Profesor:Bachilleres:Juan Carlos FigueroaGonzlez CristopherAbreu JesusBrito LeonardoBastori JuanFuentes AlvaroGuacare LuisRuiz Josman

Maturin, Julio de 2015.

Amplificador diferencial:

El amplificador diferencial (AD) es un circuito pensado para amplificar la diferencia de dos seales.

Figura 1

Si se supone el AD representado por la figura 1, donde se identifican dos entradas, una de ellas definida como inversora (-) y la otra como no inversora (+), y una salida, todas ellas referidas a una masa comn, y se excitan las entradas con dos seales cualesquiera (v1 y v2), es posible diferenciar:

Una seal de entrada diferencial (viD) definida como la diferencia entre la seal aplicada a la entrada inversora, vi (-) y la seal aplicada a la entrada no inversora, vi (+):

Una seal de entrada a modo comn (viC) definida como la semisuma de las dos entradas:

Circuitos de AD

Es posible construir circuitos amplificadores diferenciales con cualquier dispositivo semiconductor que pueda funcionar como amplificador. Puede implementarse con transistores bipolares o transistores de efecto de campo. En ambos casos se trata de acoplar dos dispositivos idnticos en su configuracin amplificadora (emisor o fuente comn) por el terminal comn (emisor o fuente) correspondiente a la configuracin, resultando el circuito simtrico de la fig. 2, donde Q1 y Q2 representan los dispositivos en forma general.

Circuito Generalizado

El circuito generalizado est alimentado por dos fuentes de polaridades opuestas (V1 y V2) que en general tienen valores +V y -V respectivamente, de esta manera es posible acoplar directamente en las entradas seales con componente de continua nula, e incluso aplicar diferencia de tensiones de continua. Si el circuito se alimentara con una nica fuente contra masa sera necesario establecer una red de polarizacin para las entradas de los dispositivos y la excitacin de seal debera conectarse con capacitares de acople que independicen la polarizacin de los transistores.

Hay disponibles dos salidas, segn cul de ellas se tome queda determinada la entrada que acta como inversora y la que acta como no inversora. Si se identifica la entrada de Q1 como la entrada inversora y la entrada de Q2 como la entrada no inversora, la salida vo1 sera la identificada en la figura 1.

Este circuito es la configuracin ptima para las etapas de ganancia de los circuitos integrados lineales, en ese caso los dispositivos que lo constituyen son especialmente apareados durante el proceso de fabricacin.

Esta configuracin presenta excelentes propiedades de aislacin entre salida y entrada simplificando la disposicin de posibles elementos de realimentacin.

La corriente de los dispositivos est fijada por una fuente de corriente constante (IO), que puede ser implementada de diferentes formas; en forma muy simple con una resistencia, o con circuitos con dispositivos semiconductores en la configuracin adecuada, obtenindose diferentes calidades en cuanto a la estabilidad de la corriente y al valor de su resistencia equivalente, y en consecuencia, en cuanto a la calidad del amplificador diferencial. En todo el anlisis se supondr que una fuente que fija el valor IO y que presenta una resistencia equivalente de valor rF.

Amplificador diferencial basado en transistor bipolar

Anlisis del circuitoSe trata de dos transistores bipolares en configuracin emisor comn que se hallan acoplados por el emisor, tal como puede verse en la figura 3. Como los elementos del circuito son idnticos el circuito resulta simtrico.

Figura 3

El circuito est alimentado por dos fuentes de polaridades opuestas (VCC y VEE) que en general se fijan a +V y -V, respectivamente, dado que los dos transistores son idnticos y el circuito es simtrico ambos transistores quedarn polarizados en el mismo punto de trabajo al ser excitados por seales en sus entradas, siempre que el nivel de esas seales se mantenga dentro del rango adecuado para el funcionamiento lineal de los dispositivos.

Tal como se expres antes, es posible alimentar el dispositivo con una fuente nica contra masa, pero en ese caso se requerira una red de polarizacin externa para las bases de los transistores a fin de asegurar el normal funcionamiento.

La fuente de corriente de valor IO fija la suma de las corrientes por los emisores de los transistores. En condiciones de reposo la corriente por ambos emisores es la misma e igual a la mitad de la corriente de la fuente.

Anlisis en pequea sealDadas dos seales cualesquiera aplicadas en las bases es posible definir una componente simtrica (vIC, seal a modo comn) y una componente anti simtrica (viD, seal a modo diferencial).

Figura 4

En la figura 4 se expresan las seales aplicadas a las bases de los transistores en funcin de sus componentes simtricas y anti simtricas. Si se identifica la base 1 (B1) como la entrada inversora y la base 2 (B2) como la entrada no inversora, la salida vO1, que correspondera a la tomada en el colector del transistor Q1 de la figura 3, sera la identificada en la figura 1 como salida del amplificador diferencial generalizado.

Suponiendo comportamiento lineal del circuito es posible aplicar superposicin, y realizar el anlisis de cada tipo de seal en forma independiente.

Seales a modo diferencial

En este caso el circuito es excitado por seales anti simtricas puras, o sea no existen componentes a modo comn o simtricas.

Como el circuito es simtrico, si aumenta la seal aplicada en B1 se produce un aumento de la corriente de emisor y una disminucin de la tensin de colector-emisor del transistor Q1, pero al mismo tiempo la disminucin en igual proporcin de la seal aplicada en B2, determina una disminucin equivalente en la corriente de emisor del transistor Q2 y un aumento tambin equivalente en su tensin de colector-emisor.

Resultando el potencial de emisor de ambos transistores constante e igual al potencial en ausencia de seal, o sea que el emisor se comporta como una masa virtual para las seales a modo diferencial. En consecuencia las variaciones de tensin colector-emisor de cada colector se reflejan exactamente en las salidas correspondientes.

Estas variaciones pueden calcularse teniendo en cuenta que est determinada por la variacin de tensin entre colector y masa de un circuito en emisor comn sin realimentacin de emisor, que est sometido a una variacin en su entrada equivalente a la mitad de la tensin diferencial.

La resistencia de la fuente de corriente no influye para las seales diferenciales porque su potencial se mantiene constante.

La ganancia de una etapa en emisor comn puede calcularse con el modelo en pequea seal de esa etapa.

Seales a modo comn

Si se excitan las entradas con dos seales simtricas las variaciones van a estar en fase y, por ser el circuito simtrico, tendrn igual valor absoluto:

En consecuencia el potencial de emisor reflejar esas variaciones a travs de la resistencia de la fuente de corriente, y variar en forma proporcional a la variacin de la corriente.

La relacin entre la salida en cada colector (vOC) y la entrada a modo comn (viC) puede determinarse a travs de la ganancia del circuito de un amplificador emisor comn con una realimentacin de emisor de valor 2rF (se obtiene un resultado equivalente si se aplica el teorema de biseccin).

Tensiones de salida

Superponiendo los efectos de ambas seales se puede determinar la tensin total en ambas salidas.

Resulta evidente la presencia en ambas salidas de una componente debida a la tensin de entrada a modo comn que est desfasada 180o con respecto a esta tensin y una componente debida a la tensin de entrada a modo diferencial (viD = v1 -v2) que en la salida 1 (vo1) est desfasada 180o con respecto a la tensin de entrada diferencial y en la salida 2 (vO2) est en fase con esa tensin. O sea que, siempre que se defina la tensin diferencial como la diferencia entre la tensin de la base uno (v1) menos la tensin en la base dos (v2), en la salida 1 ambas componentes, a modo comn y a modo diferencial, estn en fase.

Impedancias de entrada

Es posible diferenciar dos impedancias de entrada, una a modo diferencial y otra a modo comn. La impedancia que el circuito ofrece a una seal diferencial es la suma de las dos impedancias de los diodos base-emisor en polarizacin directa:

La impedancia que ofrece el circuito a las seales a modo comn (entre base y masa) es la del diodo de base-emisor en polarizacin directa ms la que impone el terminal de emisor:

Amplificador diferencial basado en transistores de efecto de campo

La disposicin es anloga al circuito con transistores bipolares con las particularidades propias de cada tipo de transistor de efecto de campo, JFET o MOSFET.

Circuitos. Anlisis de gran seal

Circuito AD con JFET

Se acoplan dos transistores de efecto de campo en configuracin fuente comn por el terminal comn, de forma tal que el circuito resulte simtrico, tal como puede verse en la figura para JFET canal N.

En condiciones normales de funcionamiento, las tensiones de puerta-fuente habilitan la conduccin y los transistores (Q1 y Q2) que se suponen idnticos, funcionan en zona lineal o de corriente constante siempre que el valor absoluto de su tensin de drenaje-fuente se mantenga por encima de la diferencia entre la tensin de puerta-fuente y la tensin umbral.

En la figura se muestra un amplificador diferencial con MOSFET canal N en la entrada (Q1 y Q2) en el cual se reemplazaron las resistencias de carga (RD) por dos transistores MOSFET canal P idnticos (Q3Q4).

Q3 y Q4 actan como carga dinmica o activa del par diferencial y funcionan con la puerta al mismo potencial que el drenaje, o sea que su punto de funcionamiento est siempre en zona de corriente constante, ofreciendo una resistencia dinmica de valor 1/gmc.

AD con MOSFET

Anlisis en pequea seal

El anlisis en pequea seal es equivalente para cualquiera de los dos circuitos, pues los modelos de los dispositivos son los mismos, con la salvedad de tener en cuenta que en el caso de circuitos con MOS la carga del diferencial es un transistor MOS, y en consecuencia RD es la resistencia dinmica de un MOS que tiene el drenaje conectado con la fuente, debiendo reemplazarse en todas las ecuaciones RD por 1/gmc.

Figura 4

Nuevamente, dadas dos seales v1 y v2 aplicadas respectivamente a cada una de las bases, se define la componente a modo comn (vIC) y la componente a modo diferencial (viD), a fin de aplicar superposicin, suponiendo funcionamiento lineal del circuito, y realizar el anlisis de cada tipo de seal en forma independiente.

Seales a modo diferencial

El circuito es excitado por seales anti simtricas puras, o sea no existen componentes a modo comn o simtricas.

O sea que:

Al aumentar la seal aplicada en la entrada del transistor 1 (G1), se produce un aumento de la corriente de drenaje de ese transistor y una disminucin de su tensin de drenaje-fuente, pero al mismo tiempo la disminucin en igual proporcin de la seal aplicada en G2, determina una disminucin equivalente en la corriente de drenaje del transistor Q2 y un aumento proporcional de su tensin de drenaje-fuente.

El potencial de fuente de ambos transistores permanece constante e igual al potencial en ausencia de seal, o sea que la fuente comn a ambos FET se comporta como una masa virtual para las seales a modo diferencial. En consecuencia las variaciones de tensin drenaje fuente de cada colector se reflejan exactamente en las salidas correspondientes.

Estn determinadas por la variacin de tensin entre drenaje y masa de un circuito en fuente comn sin resistencia de fuente, que est sometido a una variacin en su entrada equivalente a la mitad de la tensin diferencial.

Seales a modo comn

Si ahora se excitan las entradas con dos seales simtricas las variaciones van a estar en fase, y por ser el circuito simtrico tendrn igual valor absoluto:

El potencial de fuente reflejar esas variaciones a travs de la resistencia de la fuente de corriente.

La relacin entre cada salida (vOC) y la entrada a modo comn (viC) puede determinarse a travs de la ganancia del circuito de un amplificador fuente comn con una realimentacin de fuente de valor 2rF.

Tensiones de salida

Superponiendo los efectos de ambas seales se puede determinar la tensin total en ambas salidas.

Donde resulta evidente que en ambas salidas hay una componente debida a la tensin de entrada a modo comn que est desfasada 180o con respecto a esta tensin y una componente debida a la tensin de entrada a modo diferencial (viD= v1 -v2) que en la salida vo1 est desfasada 180o con respecto a la tensin de entrada diferencial y en la salida vO2 est en fase con esa tensin. O sea que, siempre que se haya definido la tensin diferencial como la diferencia entre la tensin de la base uno (v1) menos la tensin en la base 2 (v2), en la salida 1 ambas componentes, a modo comn y a modo diferencial, estn en fase, mientras que en la salida 2 estn en contrafase.

Impedancias de entrada

Tanto la impedancia de entrada a modo diferencial como la correspondiente a modo comn son muy altas, pues estn determinadas por las impedancias de los FETs. En caso de alimentar el circuito con fuente partida con una fuente contra masa hay que utilizar una red de polarizacin para las puertas de los transistores de entrada, y, en general, ser esta red quien determine la impedancia de entrada.