Amplificadores Diferenciales:

Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño
Carrera : Ingeniería Electrónica (44)
Sexto Semestre
Asignatura: Electronica II
Profesora: Ing. Ranielina Rondón
Estudiante: Alaña Santiago C.I. 25127442

• Principio de operación del Amplificador Operacional.

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los Amplificadores Operacionales tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:

1. Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.
2. Amplificador de tensión: proporciona ganancia de tensión.
3. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos. Éste también proporciona una ganancia adicional.¹

El dispositivo posee dos entradas: una entrada no-inversora (+), en la cual hay una tensión indicada como ${\displaystyle V_{+}}$ y otra inversora (–) sometida a una tensión ${\displaystyle V_{-}}$. En forma ideal, el dispositivo amplifica solamente la diferencia de tensión en las entradas, conocida como tensión de entrada diferencial (${\displaystyle v_{\text{in}}=V_{+}-V_{-}}$). La tensión o voltaje de salida del dispositivo ${\displaystyle V_{\rm {out}}}$ está dada por la ecuación:

${\displaystyle V_{\!{\text{out}}}=A_{\text{OL}}\,(V_{\!+}-V_{\!-})=A_{\text{OL}}V_{\text{in}}}$

en la cual ${\displaystyle A_{\rm {OL}}}$ representa la ganancia del dispositivo cuando no hay realimentación, condición conocida también como "lazo (o bucle) abierto". En algunos amplificadores diferenciales, existen dos salidas con desfase de 180° para algunas aplicaciones especiales.

Lazo abierto

Amplificador operacional en modo de lazo abierto, configuración usada como comparador.

La magnitud de la ganancia ${\displaystyle A_{\rm {OL}}}$ es, generalmente, muy grande, del orden de 100.000 veces o más y, por lo tanto, una pequeña diferencia entre las tensiones ${\displaystyle V_{+}}$ y ${\displaystyle V_{-}}$ hace que la salida del amplificador sea de un valor cercano al de la tensión de alimentación, situación conocida como saturación del amplificador. La magnitud de ${\displaystyle A_{\rm {OL}}}$ no es bien controlada por el proceso de fabricación, así que es impráctico usar un amplificador en lazo abierto como amplificador diferencial.

Si la entrada inversora es conectada a tierra (0 V) de manera directa o mediante una resistencia ${\displaystyle R_{g}}$ y el voltaje de entrada ${\displaystyle V_{\rm {in}}}$ aplicado a la otra entrada es positivo, la salida será la de la máxima tensión positiva de alimentación; si ${\displaystyle V_{\rm {in}}}$ es negativo, la salida será el valor negativo de alimentación. Como no existe realimentación, desde la salida a la entrada, el amplificador operacional actúa como comparador.

Lazo cerrado

Un amplificador operacional en modo de realimentación negativa.

Si se desea un comportamiento predecible en la señal de salida, se usa la realimentación negativa aplicando una parte de la tensión de salida a la entrada inversora. La configuración de lazo cerrado reduce notablemente la ganancia del dispositivo, ya que ésta es determinada por la red de realimentación y no por las características del dispositivo. Si la red de realimentación es hecha con resistencias menores que la resistencia de entrada del amplificador operacional, el valor de la ganancia en lazo abierto ${\displaystyle A_{\rm {OL}}}$ no afecta seriamente la operación del circuito. En el amplificador no-inversor de la imagen, la red resistiva constituida por ${\displaystyle R_{f}}$ y ${\displaystyle R_{g}}$ determina la ganancia en lazo cerrado.

Una forma válida de analizar este circuito se basa en estas suposiciones válidas:

• Cuando un amplificador operacional opera en el modo lineal (no saturado) la diferencia de tensión entre las dos entradas es insignificante.
• La resistencia entre las entradas es mucho más grande que otras resistencias en la red de realimentación.

Debido a esto, la corriente que pasa por la resistencia ${\displaystyle R_{g}}$ es:

${\displaystyle i={\frac {V_{\rm {in}}}{R_{g}}}}$

Pero la red conformada por las resistencias es un divisor de tensión y como la corriente ${\displaystyle i}$ no entra al amplificador por presentar en sus entradas resistencias casi infinitas, entonces esa corriente circula también por la resistencia ${\displaystyle R_{f}}$ y por ello:

${\textstyle {\begin{array}{lcl}V_{\rm {out}}&=&V_{\rm {in}}+i\cdot R_{f}\\&=&V_{\rm {in}}+{\frac {V_{\rm {in}}}{R_{g}}}\cdot R_{f}\\&=&V_{\rm {in}}\cdot \left(1+{\frac {R_{f}}{R_{g}}}\right)\end{array}}}$

Como resultado, la ganancia en lazo cerrado ${\displaystyle A_{\rm {CL}}}$ la define la anterior ecuación:

${\displaystyle A_{\rm {CL}}=\displaystyle {\frac {V_{\rm {out}}}{V_{\rm {in}}}}=\left(1+{\frac {R_{f}}{R_{g}}}\right)}$

• El BJT copmo elemento amplificador.

Amplificador diferencial es un arreglo realizado mediante transistores, es el circuito principal de los amplificadores operacionales integrados comerciales y de muchos otros circuitos integrados, se verá el caso del amplificador diferencial construido a partir de transistores bipolares o bjt.  Algunas de las características importantes del amplificador diferencial son su alta impedancia de entrada, una ganancia de tensión alta, un valor alto en cuanto al rechazo en modo común.

Serán necesarios un par de transistores bipolares npn, en los ejemplos se utilizará el 2N3904, tres resistencias de las cuales luego se verá como calcular sus valores adecuados para utilizarlos dentro de un amplificador diferencial construido mediante elementos discretos, en un inicio se usarán dos fuentes de alimentación, una positiva y la otra negativa, mas adelante se verá como implementar un amplificador diferencial con sólo una fuente de alimentación.

El circuito utilizado para conocer el amplificador diferencial será el que se muestra en la siguiente imagen, en ella se puede ver la distribución de los dispositivos, así como la de las fuentes de alimentación.

Los colectores de los transistores bipolares están conectados a fuente de alimentación positiva VCC a través de las resistencias RC1 y RC2, los emisores están unidos entre si y mediante una resistencia RE están conectados a la fuente de alimentación negativa -VEE.

La base del transistor T1 se conoce como entrada no inversora, mientras que la base de T2 se conoce como entrada inversora, si una señal senoidal v1 ingresa por la base de T1 y una señal senoidal v2 ingresa por la base de T2 ambas de la misma frecuencia pero de diferente amplitud, entonces si v1>v2 la tensión de salida vsal estará en fase con v1, pero si v1<v2 la tensión de salida vsal estará invertida con respecto a v1.

La tensión de salida vsal amplificada será la diferencia entre las tensiones de los colectores de los transistores T2 y T1 las cuales serán las salidas de las señales amplificadas, luego vsal=vc2-vc1, esta es la razón por la cual cual se llama a este tipo de circuitos amplificadores diferenciales, en muchos circuitos no se utilizan ambas entradas ni ambas salidas.

Cuando se utilizan ambas entradas se dice que la entrada del circuito es diferencial, si se usa una sola de las entradas se dice que la entrada es asimétrica; cuando se toman ambas  salidas se dice que la salida es diferencial, si se toma solo una salida se dice que la salida es asimétrica.

Es de mencionar que el circuito utilizado para los análisis es el mas simple que se puede hacer mediante dispositivos discretos, el circuito será útil para experimentación y ademas tendrá una gran utilidad teórica para poder comprender los amplificadores diferenciales, ya que al circuito se le puede hacer muchas mejoras para obtener circuitos mucho mas útiles, lo que se logra con creces dentro de los circuitos integrados, pero estas mejoras conllevan a realizar cálculos matemáticos mucho mas complejos, en nuestro caso no se busca complicarnos con la matemática sino comprender el amplificador diferencial, partiendo de esto, mas adelante dependiendo del interés que se tenga, se puede buscar información mas avanzada sobre este tema.

• Amplificador Diferencial de etapas múltiples.

Un amplificador se describe un circuito capaz de procesar las señales de acuerdo a la naturaleza de su aplicación. El amplificador sabrá extraer la información de toda señal, de tal manera que permita mantener o mejorar la prestación del sistema que genera la señal (sensor o transductor usado para la aplicación).
Se llama amplificador multietapa a los circuitos o sistemas que tienen múltiples transistores y además pueden ser conectadas entre sí para mejorar sus respuestas tanto en ganancia, impedancia de entrada (Zin), impedancia de salida (Zout) o ancho de banda. La aplicaciones pueden ser tanto de CC como de CA.

• Análisis de corriente contínua y en pequeña señal

• Un amplificador es un sistema que aumenta la potencia de una señal.
• La señal proviene de una fuente y se aplica a una carga.

Fuente

Podemos representar la fuente como de tensión o de corriente mediante equivalentes Thevenin o Norton.                         

Carga
Representamos la carga como una resistencia.

Tipos de amplificadores

Impedancia de entrada

Es la relación entre la tensión y la corriente a la entrada del amplificador.

Ganancia e impedancia de entrada

• La salida del amplificador se puede representar mediante equivalentes Thevenin o Norton.

                

• La tensión y corriente de salida son proporcionales a la tensión y corriente de entrada.
• Ganancia de tensión a circuito abierto: 

• Ganancia de corriente en cortocircuito: 

• Ganancia de transconductancia en cortocircuito: 

• Ganancia de transimpedancia a circuito abierto: 

• La tensión y corriente en la salida se ven afectadas por la impedancia de salida, R_o.

Saturación

• El amplificador proporciona señales amplificadas sólo para un cierto rango de amplitudes de entrada.
• Más allá de este rango la amplitud de la señal de salida permanece constante: el amplificador se satura.

Linealidad

• En la práctica la señal de salida no es proporcional a la de entrada.
• Se asume aproximadamente lineal para un cierto rango de valores de entrada.
• Fuera de este rango la señal se distorsiona. 

Amplificador de tensión

Ganancia de tensión

Amplificador de tensión ideal

Si R_i 

 >> r_s y R_o << R_L ⇒ A'_v ≈ A_v ≈ A_v0

Amplificador de corriente

Ganancia de corriente

Amplificador de corriente ideal

Si R_i 

 << 

  r_s y R_o >> R_L ⇒ A'_l ≈ A_l  ≈ A_l0

_{Amplificador de transconductancia}

Ganancia de transconductancia

Amplificador de transconductancia ideal

Si R_i 

 >> r_s y R_o  

 >> R_L ⇒ G'_m ≈ G_m ≈ G_m0

Amplificador de transimpedancia

Ganancia de transimpedancia

Amplificador de corriente ideal

Si R_i 

 << 

  r_s y R_o << 

  

Z_m ⇒ Z'_m  ≈ Z_m  ≈ Z_m0

Amplificadores acoplados

En ocasiones es necesario acoplar varios amplificadores en cascada:

• La carga del amplificador 1 es la resistencia de entrada del amplificador 2.
• La fuente del amplificador 2 es la salida del amplificador 1.

Ganancia de tensión                   Impedancia de entrada

                        

Ganancia de corriente                 Impedancia de salida

                          

Acoplamiento directo

• Se utiliza principalmente en circuitos integrados.
• El acoplamiento de diferentes etapas puede perturbar la polarización de los transistores.

Acoplamiento capacitivo

• Las diferentes etapas se encuentran separadas por condensadores de acoplamiento.
• Las condiciones de polarización se mantienen.
• Los condensadores modifican la respuesta en frecuencia.
• Se utiliza en circuitos con componentes discretos.

Configuraciones básicas con transistores

    Configuraciones básicas con BJTs    

    Emisor común                       Colector común                    Base común

             

 

            

 

    Configuraciones básicas con FETs

    Fuente común                      Drenador común                    Puerta común