Amplificador diferencial

Amplificador diferencial

El amplificador diferencial es un circuito que constituye
parte fundamental de muchos amplificadores y
comparadores y es la etapa clave de la familia lógica ECL.
En este tema se describen y analizan diferentes tipos de
amplificadores diferenciales basados en dispositivos bipolares
y FET. Se abordan técnicas de polarización y
análisis de pequeña señal introduciendo los conceptos en
modo diferencial y modo común que permiten
simplificar el análisis de estos amplificadores. Por último,
se presentan y estudian amplificadores diferenciales
integrados complejos que resultan muy útiles como
introducción a los amplificadores operacionales.

Análisis de un amplificador diferencial básico bipolar
El amplificador diferencial constituye la etapa de entrada
más típica de la mayoría de los amplificadores
operaciones y comparadores, siendo además el elemento
básico de las puertas digitales de la familia lógica ECL.
En la figura 6.1.a aparece la estructura básica de este
amplificador. Uno de sus aspectos más importantes es su
simetría que le confiere unas características muy especiales
de análisis y diseño. Por ello, los transistores Q1 y Q2
deben ser idénticos, aspecto que únicamente se logra
cuando el circuito está fabricado en un chip. Realizar este
amplificador con componentes discretos pierde sus
principales propiedades al romperse esa simetría. A
continuación se realiza un análisis de este amplificador,
primero en continua y luego en alterna donde se
introducen los conceptos de configuración en modo
común y modo diferencial.

Análisis en continua
En el caso de que vi1 y vi2 sean componentes de
pequeña señal, y suponiendo que hFE>>1,
Esta recta se encuentra dibujada en la figura 6.1.b.
La situación del punto de trabajo define los límites de
variación de señal de entrada y el rango de funcionamiento
lineal permisible. La máxima amplitud de salida se
consigue cuando VCEQ=VCC.

Análisis de las configuraciones en modo común y diferencial
La simetría del amplificador diferencial permite simplificar su
análisis convirtiendo las tensiones de entrada en tensiones de
entrada de modo común y modo diferencial. Además, estos
conceptos están en consonancia con las aplicaciones típicas del
amplificador operacional que se suele utilizar para amplificar la
diferencia entre las dos señales de entrada.
La aplicación de los estos conceptos permite transformar el
circuito de la figura 6.1.a en el de la figura 6.2.
Este nuevo circuito presenta unas propiedades de simetría
que facilita su análisis mediante la aplicación del
principio de superposición a las entradas en modo diferencial
y común independientemente.

Amplificador diferencial con carga activa
Las fuentes de corriente pueden ser utilizadas como carga
activa en un amplificador diferencial. El espejo de
corriente es el circuito que mejor se adapta al tener una
 resistencia interna no demasiado elevada la cual elimina
problemas de polarización y mantiene una ganancia muy alta.
La figura 6.9.a muestra la estructura de un
amplificador diferencial que tiene una carga activa constituida
por el espejo de corriente formado por los
transistores PNP Q3, Q4 y Q5. Por necesidades de polarización
la intensidad de referencia de este espejo tiene
que ser la mitad de IEE ya que las intensidades de colector de
 Q1 y Q4, y Q2 y Q3 deben ser idénticas.
Ejemplo de un amplificador diferencial bipolar complejo
En este apartado se va a realizar una análisis simplificado un
amplificador diferencial completo de la figura
6.10 constituido por varias etapas amplificadoras conectadas
en cascada. Básicamente, es un amplificador
operacional formado por una etapa diferencial de entrada
(Q1,Q2), otra etapa diferencial intermedia (Q7,Q8) y la
etapa de salida en configuración de seguidor de emisor (Q9).

Análisis DC. El análisis en continua de este amplificador se
realiza suponiendo nulas las entradas vi1 y
vi2 y despreciando las corrientes de base.. En la polarización
de las etapas diferenciales se utiliza dos espejos de
corriente, uno basado en transistores NPN (Q3,Q4) y otro en
PNP (Q5,Q6), cuya corriente de referencia se fija a
través de RD.
Análisis de pequeña señal. Al despreciar el parámetro hoe los
 espejos de corriente son ideales
resultando que la ganancia en modo común es nula. Ello permite
aplicar los principios de simetría del
amplificador diferencial en modo diferencial, reduciendo el análisis
 de este amplificador al circuito mostrado en la
figura 6.11.a. La tensión de salida vo es prácticamente la tensión
 del colector de Q8 al ser la ganancia en tensión
de la etapa de salida prácticamente 1 (se trata de una seguidor de emisor).
Además, Q8 tiene como carga la
resistencia RC2 y la impedancia de entrada de Q9.

Amplificadores diferenciales FET
La impedancia de entrada de un amplificador diferencial puede
ser muy alta si se utiliza transistores FET. La
figura 6.13.a presenta un amplificador diferencial básico
basado en los transistores NMOS, M1 y M2, cuya
polarización se realiza a través de una fuente de corriente
de valor ISS con una resistencia interna RSS y la figura
6.13.b muestra el circuito equivalente de pequeña señal.
 Al presentar este amplificador las mismas características
de simetría descritas en el amplificador diferencial bipolar
se puede utilizar la conversión a señal modo diferencial
y modo común. Por similitud, en modo diferencial el terminal
 fuente de estos transistores se comporta como un
nudo de masa virtual y en modo común la resistencia RSS se
 descompone en dos en paralelo.

La ganancia de este amplificador puede mejorarse utilizando
 cargas activas. En las figura 6.14 aparece un
amplificador diferencial NMOS con carga activa formado por
los transistores M3 y M4. M3 y M4 tienen la
puerta y el drenador cortocircuitado de forma que en
pequeña señal pueden ser sustituidos por un elemento
resistivo de valor rdl||1/gml (subíndice l de load). Las
expresiones de la Ad y Ac son similares a las descritas en la
ecuación 6.32 sustituyendo la RD por la carga equivalente
rdl||1/gml.
La tecnología CMOS permite realizar también
amplificadores diferenciales con carga activa. El amplificador de
la figura 6.15.a utiliza un espejo de corriente de transistores
PMOS como carga activa y el de la figura 6.15.b otro espejo de
corriente autopolarizado con salida simple que realiza una
conversión salida simple-entrada diferencial.

Los transistores JFET al tener una tecnología
compatible con los BJT pueden ser fabricados
simultáneamente en un circuito integrado. Con ello, se
combina las características de ambos dispositivos como son
su alta impedancia de entrada (JFET) y linealidad y altas
prestaciones (BJT). En la figura 6.16 se muestra un
ejemplo práctico correspondiente a la etapa de entrada del
amplificador operacional TL080 de Texas Instruments que
utiliza PJFET como transistores de entrada de la etapa
diferencial y transistores bipolares para polarización y
amplificación. La etapa de entrada diferencial está
constituida por Q6 y Q7 cuya carga activa lo forma la
fuente de corriente Q1 y Q2; las corrientes de entrada son
del orden de pA. Q4 actúa como amplificador en
configuración seguidor de emisor con objeto de introducir
una carga de muy alto valor a Q7 y servir de etapa de
interfase con la siguiente etapa amplificadora basada en
Q5. Q3 introduce una carga similar a Q4 para mantener la
simetría de la etapa diferencial. Q8, Q9 y Q10 son fuentes
de corriente (Widlar y espejo de corriente respectivamente)
para polarización del circuito. Como es frecuente en los
amplificadores operacionales, factores de disimetría en la
etapa diferencial hace que en ausencia de señal de entrada
la salida no sea nula, en contra de lo que debe suceder en
 teoría (offset null). Para corregir este efecto, algunos
amplificadores tienen salidas al exterior que mediante un
potenciómetro variable se corrige el desequilibrio de la
etapa diferencial y se anula este efecto. En la figura se
indica la situación y valor típico del potenciómetro.

http://examenesutn.awardspace.com/examenes/aplicada2/apuntes/Tema6.pdf

Danny Camperos   CRF

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