UNIVERSIDAD POLITÉCNICA “SALESIANA”
FACULTAD DE INGENIERÍAS
SEDE QUITO-CAMPUS SUR
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
AMPLIFICADORES DIFERENCIALES
SANTIAGO MALDONADO GONZALO CHIMBO RODRIGO IBARRA JIMMY ANDRADE
5º ELECTRÓNICA “1” Quito, 30 de marzo del 2010
El Amplificador Diferencial Dentro de este capítulo se dice que no se pueden usar condensadores de acoplo y de desacoplo ya que estos son muy pequeños o sea son menores a 50pF, entonces el circuito clave para lograr todos estos diseños es el Amplificador Diferencial. El diseño de este circuito extremadamente inteligente porque elimina al condensador de desacoplo de emisor o sea que estos circuitos no tienen ningún problema.
Entrada y salida diferenciales.Consiste en dos etapas en EC en paralelo con una resistencia de emisor común, aunque tiene dos tensiones de entrada (V1 y V2) y dos tensiones de colector (Vc1 y Vc2), el circuito total se considera como una sola etapa. Como no hay condensadores de acoplo y desacoplo no existe frecuencia de corte inferior. Vout= Vc2 – Vc1 A este voltaje se lo denomina salida diferencial:
Entrada diferencial y salida diferencial
Terminal de salida único.Una salida diferencial como de la figura anterior necesita una carga flotante porque ningún extremo de la carga puede estar conectado a masa. Esto es un inconveniente en muchas aplicaciones, ya que las cargas tienen normalmente un único terminal, es decir el otro está conectado a masa.
Configuraciones con entrada no inversora.A menudo solo está activa una de las dos entradas y la otra está a masa. Está configuración tiene una entrada no inversora y una salida diferencial. Como V2=0. Vout= -Av1
Entrada diferencial y salida de un no inversora y salida de un terminal
Entrada no inversora y salida diferencial
Entrada
terminal
Configuraciones con entrada inversora.En algunas aplicaciones V2 es la entrada activa y V1 es la entrada conectada a masa. En este caso la ecuación se simplifica a: Vout= -Av2
Conclusión: En caso general tiene una entrada diferencial y una salida diferencial. El resto de casos son subconjuntos del caso general.
Entrada inversora y salida diferencial
Entrada inversora y salida de un terminal
Análisis en continua de un Amplificador Diferencial Dentro de este análisis supondremos que los transistores son idénticos y las resistencias de colector común también, aquí también las bases están conectadas a masa.
Análisis ideal para continua
Análisis Ideal.La corriente a través de la resistencia común de emisor, Re se denomina corriente de polarización. Si se ignora la caída de voltaje VBE a través de los diodos de emisor entonces en la parte superior de la resistencia de emisor es idealmente una masa para continua. IT= VEE/RE Cuando las dos mitades están perfectamente iguales la corriente de polarización se dividirá por igual, por tanto cada transistor tiene una corriente de emisor de: IE=IT/2
El voltaje continuo en cada colector viene dado por la siguiente ecuación ya familiar: VC= VCC - (ICC*RC)
Efecto de las resistencias de base en la corriente de polarización.Cuando se usan las resistencias de base tienen un efecto despreciable en la corriente de polarización si el amplificador diferencial está bien diseñado. Esto es así porque la ecuación para la corriente de polarización incluyendo las resistencias de base es: IT= (VEE-VBE) / (RE+ (RB/2 βdc))
Análisis en alterna de un Amplificador Diferencial Aquí se comenzará por la configuración más simple, la entrada no inversora y salida de un terminal, después de derivar su ganancia de voltaje se extenderá el resultado a las otras configuraciones.
Teoría de Funcionamiento: Para valores grandes de RE la corriente de polarización se puede considerar constante cuando hay una señal alterna pequeña. A causa de ello las dos mitades de un AD responden de manera complementaria a la entrada no inversora. En otras palabras un incremento de la corriente de emisor de Q1 produce una reducción de la corriente de emisor de Q2 y viceversa.
Entrada no inversora y salida de un terminal Circuito equivalente simplificado
Circuito equivalente para señal
Ganancia en el terminal de salida único En b circuito equivalente para serial. Nótese que cada transistor tiene una re’ 1 y 2. En cualquier diseño se nota que RE es mas mayor que re’, por lo que para un un análisis se puede decir que RE no existe.
b
En c representa el circuito simplificado. En el, votlaje de entrada v1, aparece a través de la resistencia re1’ ya que esta en serie con la segunda re2’ siendo del del mismo valor , el votaje a través de cada c ada resitencia re’ es la mitad del voltaje de entrada.
c Se obtienen las siguientes formulas Para el votlaje de salida
Vout=icRc
Para el votaje de entrada
Vin=ie*re’+ Vin=ie*re ’+ ie*re’= 2ie*re’
Dividiendo Vout para Vin se obtiene la ganancia de tensión Para la ganancia
A=Rc/2re’
Ganancia en la salida diferencial La figura 17-9 muestra el circuito para una entrada no inversora y salida diferencial, por lo que hay dos resistencias en el colector el voltaje de salida es el doble Las formulas a utilizarse son similares; Vin =2*ie*r’e Dividiendo la tensión de salida por la de entrada se obtiene la ganancia Salida diferencial A=Rc/r’e
17-9
Configuraciones con entrada inversora
El circuito muestra una entrada inversora y salida de un terminal diferencial ,la señal inversora v2 produce una tensión alterna de salida amplificada e invertida. Esto hace que el voltaje en alterna atreves de RE es la mitad del voltaje de la entrada no inversora.
Configuraciones con entrada diferencial El análisis de alterna se puede simplificar de la siguiente forma; La tensión de salida para una entrada no inversora es:
Vout=Av1
Y la tensión de salida para una entrada inversora es: Vout=-Av2 Combinando las dos ecuaciones tenemos Vout=A(V1-V2) Vout=A(V 1-V2)
Tabla de ganancias de tensión
Impedancia de entrada
Etapa ec Amplificador operacional
Zin=βr’e Zin=βr’e
La Ecuación es valida para toda configuración , ya que cualquier señal alterna de entrada dos resistencias de emisor en el camino entre la base y masa.
Ejemplos 1.-En la figura ¿cual es la tensión alterna de salida? Si β=300 y ¿Cuánto vale la impedancia de entrada del amplificador diferencial?
Idealmente la resistencia del emisor tiene 15V que producen una corriente de polarización de 2mA lo que significa significa que la corriente continua continua en cada transistor IE=1mA Calculando la resistencia del emisor para la señal r’e=25mV/1mA=25 La ganancia de tensión es A=5k /25 =200 La tensión alterna de salida vale Vout=200(1mV)=200mV Y la impedancia del amplificador diferencial es Zin(base)=2(300)(25 )=15 k
2.- En la figura siguiente que valor toma la impedancia de entrada del amplificador operacional
Idealmente exististe 15 voltios en la resistencia del emisor así que la corriente es IT=15V/1M =15µA Como la corriente del emisor es la mitad en cada transistor es la mitad de corriente de polarización re’=25mV/7,5µA=3.33k La ganancia de tención es
A=1M /2(3.33k )=150
La tensión alterna de salida es
Vout=150(7mV)=1,05V Vout=150(7mV)=1,05V
Y la impedancia de de entrada de la bas Zin=2(300)(3.33 Zin=2(300)(3.33 k)=2M
CARACTERITICAS DE ENTRADA DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL Para aplicaciones aun con mas presicion se puede tomar 3 parámetros en la hoja de caractenisticas caractenisti cas de cada amplificador operacional estos son la corriente de polarización de entrada, la corriente de offset de entrada y la tensión de offset de entrada.
Corriente de polarización de entrada La corriente de polarización de entrada se define como el promedio de las comentes continuas de base: I in(polarizacion)=(IB1+IB2)/2
Con op amp bipolares, la comente de polarización de entrada es del orden de 10s nano amperios. Cuando los amps usan JFET en el amplificador. Diferencial de entrada, la comente de polarización de entrada esto en la escala de 10s pico amperios. La comente de polarización de entrada circulara hacia las resistencias entre las bases y masa. Estas resistencias pueden ser consideradas resistencias Thevenin de las fuentes de entrada.
Corriente de offset de entrada Se define como la diferencia entre las corrientes continuas de base: Iin(offset)=IB1-IB2 Esta diferencia en las comentes de base indica lo parecidos que son los transistores. Si son idénticos, la comente de offset de entrada es cero, pero casi siempre ambos transistores son ligeramente diferentes y las dos corrientes de base no son iguales
Efecto de la corriente de offset de entrada Una manera de reducir la tensi6n de error de salida pasa por utilizar una resistencia de base igual en el otro lado del amplificador diferencial, como se presenta en la Figura b. En este caso, se tiene una entrada continua diferencial de: Vin=IB1*RB-IB2*RB=(IB1-IB2)RB Vin=Iin(offset)RB
Como Iin (offset) es normalmente menor que el 25 por 100 de Iin(polarización ), tension de error de entrada es mucho más pequeña cuando se usan resistencias de base iguales.
(a)
(b)
(c)
Figura 17-15 a) Diferentes resistencias de colector producen error cuando las bases están a masa; b) diferentes curvas base-emisor añaden más error; c) la tensión de offset de entrada es equivalente a una tensión de entrada no deseada. El voltaje de offset de entrada se define como la tensión de entrada que producirá la misma tensión de salida.
=
Efectos combinados
En la Figura 17-16, se tiene la entrada alterna ideal:
= 1 − 2 Es la tensión que proviene de las dos fuentes de entrada (V1, V2). Esta a su vez se amplifica para producir la salida alterna deseada:
= 1 − 2 Luego están las tres entradas continuas de offset no deseadas.
Figura 17-16 La salida del amplificador operacional incluye a la señal deseada y a la tensión error
= − ó
17 − 16
17 − 17
=
17 − 18
ó
La tensión de offset de salida es la suma de todas las tensiones de offset:
= + + 17 − 19 Resistencias de base iguales Se utilizan resistencias de base iguales cuando los errores de offset y polarización no pueden ser ignorados.
= = Las Ecuaciones (17- 16) y (17- 19) se convierten en:
= 0 =
= Conclusión La Tabla 17-3 nos indica las fuentes de tensión de offset de salida. En muchas aplicaciones, la tensión de offset de salida es muy pequeña como para ser ignorada.
Tabla 17-3 FUENTES DE TENSIÓN ERROR DE SALIDA DESCRPCIÓN Corriente de polarización de entrada Corriente de offset de entrada Tensión de offset de entrada
CAUSA Tensión a través de una RB Ganancia de corrientes desiguales RC y VBE desiguales
SOLUCIÓN Usar una RB igual en el otro lado Métodos de anulación en las hojas características Métodos de anulación en las hojas características
EJEMPLO 17-8
0.5 y = El amplificador diferencial diferencial de la figura tiene una A=200, ó = 3, = 0.5 1. ¿Cuál es la tensión de offset de salida? Si se emplea una resistencia de base adaptada, ¿Cuál es la tensión de offset de salida?
SOLUCIÓN Con las ecuaciones (17- 16) y (17- 18)
= − ó = 13 = 3
ó
. .. = = 1
La tensión de offset de salida es:
= 2003 03 + 0.25 .25 + 1 = 850 50 Cuando se utiliza una resistencia de base adaptada de 1k en el lado inversor, tenemos:
= 0 = = 1 10.25 0.25 = 0.25 0.25 = = 1 EJEMPLO 17-9 El amplificador diferencial de la figura tiene una A=300 , ó = 80, = 20 y = 5 . ¿Cuál es la tensión de offset de salida?
SOLUCIÓN El circuito utiliza resistencias de bases iguales. Por lo tanto se utilizan las ecuaciones para , ,
= 0
= = 1020 = 0.2 0.2 = = 5 La tensión de offset de salida es:
= 30 300 00. 0.2 2 + 5 = 1.56 .56
GANANCIA EN MODO COMÚN La Figura 17-19a representa una señal en modo común, ya que se aplica la misma tensión de entrada , a cada base. Si el amplificador diferencial es perfectamente simétrico no existe tensión alterna de salida porque 1 = 2. Cuando un amplificador diferencial no es perfectamente simétrico existirá una pequeña tensión alterna de salida, además se aplican tensiones iguales a las entradas no inversora e inversora. La Figura 17-19b representa el circuito equivalente de la Figura 17-19a. En dicho circuito, se tienen una resistencia equivalente de (del paralelo de 2 ); y en este circuito equivalente no cambiará la tensión de salida, además una tensión activa ambas entradas simultáneamente.
(a)
(b)
Figura 17-19 a) Señal de entrada modo común; b) circuito equivalente Si los dos transistores son idénticos, las tensiones de base serían iguales y producirían corrientes de emisor iguales. La ganancia de tensión en modo común es aproximadamente igual a: =
17 − 20
Siempre que >> ′
La ganancia de tensión en modo común es, generalmente, menor que 1.
RELACIÓN DE RECHAZO AL MODO COMÚN (CMRR: del inglés Common-Mode Rejection Ratio) se define como la relación de la ganancia de tensión y la ganancia de tensión en modo común.
=
17 − 21
Una CMRR alta significa que el amplificador diferencial amplifica la señal deseada y la separa frente a la señal en modo común. Cuanto mayor es CMRR, es mejor. En las hojas de datos especifican CMRR en decibelios, para ello se tiene que:
= 20 log
17 − 22
EJEMPLO 17-10 En la figura ¿Cuál es la ganancia en modo común? ¿Y la tensión de salida?
SOLUCIÓN De la ecuación (17-20), obtenemos:
A = La tensión de salida es:
=0.5
V = 0.51mV = 0.5m 0.5mVV EJEMPLO 17-11 En la figura A=150, = 0.5 y = 1 . Si las conexiones de la base están una señal en modo común de 1mA ¿Cuál es la tensión de salida?
SOLUCIÓN La entrada tiene dos componentes, la señal deseada y una señal en modo común. Ambas poseen la misma amplitud. La componente deseada se amplifica para obtener una salida de:
V = 1501mV = 150 50m mV La señal en modo común se atenúa para conseguir una salida de:
V = 0.51mV = 0.5m .5mV La salida total es la suma de los dos componentes:
V = V + V La salida deseada es 300 veces mayor que la no deseada.
EJEMPLO 17-12 Un 741 es un op amp con A=200 = 90. ¿Cuál es la ganancia de tensión en modo común? Si tanto la señal deseada como la señal en modo común tienen un valor de 1 µV ¿Cuánto vale la tensión de salida?
SOLUCIÓN
= De la ecuación (17-21), tenemos:
=
90 = 31 31.6 .600 00 20
200.000 = = 6.32 .32 31.600
La componente de salida deseada es:
V = 20 200. 0.00 00001µV = 0.2V La salida en modo común es:
V = 6.321µV = 6.32 .32µV La salida deseada es mucho mayor que la salida en modo común.
CIRCUITOS INTEGRADOS Con la invención del Circuito Integrado (CI) a mediados del siglo XX, se ha podido en la actualidad durante la etapa misma de fabricación fabricació n poder producir y conectar los componentes en un único chip. Los chips que actualmente son de uso tan generalizado en nuestra sociedad están formados de obleas delgadas obtenidas a partir de un cristal p de varias pulgadas de largo (fig. 17-23), las que son revestidas de material aislante y de una capa epitaxial que es sellada finalmente con una masa cristalina de SiO2 para evitar su contaminación.
La función de la oblea es ser el soporte de los componentes integrados. El fabricante produce cientos de circuitos en la oblea y después los corta en áreas rectangulares, cada una de ellas se convertirá en un chip; esta forma de producción en masa hace que el precio de los circuitos integrados sea bajo.
Para construir un transistor integrado se empieza dejando expuesta una parte de la capa epitaxial, esto se consigue retirando una sección del SiO2, se coloca dentro del horno donde se transforma de material n en material p , provocando así un aislamiento del material n ;después se recompone la capa aplicando oxígeno, y el paso siguiente es abrirle una ventana donde se aprecia ya el colector del transistor. Para formar la base se pasa átomos trivalentes a través de la ventana y luego de varios procesos se concluye con el sellado de la estructura aplicando oxígeno sobre la oblea. Mediante el grabado de las ventanas en la capa SiO2 SiO2 puede depositarse metal para hacer los contactos eléctricos con el emisor, base y colector. Todo este proceso da como resultado el transmisor integrado de la (fig.17-26 a)
Depositando metal a través de esas ventanas se hace contacto eléctrico con el cátodo y ánodo del diodo integrado (fig.17-26 b) y finalmente obtener una resistencia integrada (fig.17-26 c). los transistores, diodos y resistencias son fáciles de fabricar en un chip, por esta razón casi todos los circuitos integrados los utilizan. Sin considerar el tipo de circuito su fabricación consiste en la apertura de ventanas, formación de islas p y n , y la conexión de los componentes integrados. El sustrato p aísla dichos componentes entre sí.
TIPOS DE CIRCUITOS INTEGRADOS (CI) Monolítico; es el más común, pero tiene limitaciones limitacio nes de potencia. Cuando se necesita potencia más alta se puede usar CI de capa fina y de capa gruesa. Existe también el CI híbrido para aplicaciones de alta potencia, se usa en audios desde 5 hasta más de 50 W.
NIVELES DE INTEGRACION -Integración a Baja escala (SSI) se refiere a los CI con menos de 12 12 componentes; Integración a Media escala(MSI) de 12 a 100 componentes integrados por chip; Integración a Gran escala (LSI) más de 100 componentes, Integración a Muy gran escala (VLSI) tienen miles o cientos de miles de componentes integrados por chip, (aquí se incluyen casi todos los chips modernos); Integración a Escala ultragrande (ULSI) tienen más de 1 millón de componentes, (aquí se incluyen microprocesadores INTEL 486 y PENTIUM
EL ESPEJO DE CORRIENTE Se usa en los CI porque es una forma conveniente de crear fuentes de corriente y cargas activas. Las ventajas de utilizar espejos de corriente son el incremento en la ganancia de tensión y en la CMRR .
=
−
=
= " + − =
CARGA ACTIVA La ganancia de tensión de un amplificador diferencial con terminal de salida único es Cuanto mayor se haga Rc, mayor será la ganancia de tensión. Se ha comprobado que la ganancia de tensión es mucho mayor con una carga activa que con una resistencia ordinaria. Este tipo de cargas se usan en la mayoría de op amps. Fig.30
EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL CARGADO Cuando se usa una resistencia de carga con un amplificador diferencial lo más aconsejable es usar el Teorema de Thevenin ; se calcula la tensión alterna de salida vout como se hizo en secciones anteriores , esta tensión es igual a la tensión de thevenin. La resistencia de Thevenin será de 2 Rc con salida diferencial y de R, con terminal de salida única. A continuación tenemos el siguiente ejemplo :
EJEMPLO: Cual es la tensión en la carga en la figura cuando RL=15kohms?
=
7.5ℎ = = 300 25 = = 3
= 2 = 27.5ℎ = 15 15 ℎ ℎ. . La figura 32b es el circuito equivalente de thevenin con una resistencia de carga de 15 kohms la tensión en la carga vale:
= 0.53 = 1.5 1.5
CONCLUSIONES 1. El término Amplificador Operacional (op amp) se refiere a un amplificador que realiza operaciones matemáticas. 2. El Amplificador Operacional típico es un amplificador de continua con ganancia de tensión muy grande, impedancia de entrada muy alta e impedancia de salida muy pequeña. 3. La frecuencia de ganancia unidad puede ir desde 1 a más de 20 MHz, un Amplificador Operacional en CI es un bloque funcional con terminales externos (o pin). Conectando estos terminales a fuentes de tensión y a unos cuantos componentes se pueden construir rápidamente todo tipo de circuitos útiles.
BIBLIOGRAFÍA Malvino, Albert Paul. – Principios de Electrónica. – Sexta edición.- Ed. McGraw-Hill.- pp 619-661