Análisis básico del los Amplificadores diferenciales

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. A continuación 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. El amplificador diferencial es un circuito versátil que sirve como etapa de entrada a la mayoría de los amplificadores operacionales.

Definición

Se basa en pares de transistores iguales, fácilmente obtenibles sobre un mismo circuito integrado y encontrándose en incluso amplificadores de baja y alta frecuencia y compuertas digitales. Constituye también la etapa de entrada de un amplificador operacional. Se usa en circuitos para instrumentación, circuitos integrados lineales y circuitos lógicos. 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.

Esta compuesto de 2 amplificadores E.C. acoplados por emisor, (los amplificadores pueden ser también 2 FET'S S.C. acoplados por Drain), dos entradas y dos salidas. El circuito correspondiente:

   Los transistores que están polarizados en la región activa, deben estar adaptados lo mejor posible a la misma temperatura.

Las resistencias de colector son iguales, RE y la fuente VEE pueden ser remplazados por una fuente de corriente ideal. Existe simetría perfecta entre ambas mitades del circuito.
Como se tiene 2 salidas y 2 entradas se presentan varias formas de operación:

   Si una de las entradas se conecta a tierra y se aplica señal a la otra se tiene Modo de operación de una sola entrada. En este caso debido a la conexión de los dos transistores se tiene en los dos colectores.

La salida entre los colectores es la diferencia entre las dos señales Vo=Vo1 - Vo2 (salida con respecto a masa).



   Si se aplican 2 señales de entrada con polaridades opuestas se tiene Modo de operación diferencial. Se desea que el amplificador diferencial responda solo a la frecuencia de las dos tensiones de entrada.

   Si se aplican dos señales con la misma polaridad se tiene Modo común, en este modo de operación idealmente se debería tener Vo=0, sin embargo en la practica se presenta señal en la salida que es parte de la señal de entrada, esto se debe a imperfecciones de los componentes del amplificador.
Para el estudio del Diferencial se puede considerar inicialmente como si se tuviera una caja negra, con dos terminales de entrada y un terminal de salida Vo, donde Vo=Vo1 - Vo2

Caja negra que simula el amplificador diferencial.

De la figura se tiene: V₀ = ( V₁ - V₂) Ad

   La diferencia se denomina entrada diferencial y se denota por: V_d = V₁ - V₂

Ad es la ganancia en modo diferencial, de tal manera que Vo= Vod =VdAd. El amplificador "amplifica" la diferencia de dos señales.
Debido a imperfecciones del amplificador surge una señal en modo común definida como:
V_C = (V₁ + V₂) / 2
y Vo= Voc= VcAc.

   En un amplificador bien proyectado se desea que la salida en modo común sea bastante pequeña. Esta señal puede ser ruido.

   Si V1=V2 se tiene que Vd=0 y Vc=V1=V2.
   Si V1=-V2 Vd=2V1=2V2 y VC=0 de tal manera que se tienen señales de entrada que son totalmente de modo común o totalmente de modo diferencial.

  En un amplificador se puede presentar el caso en que a la entrada se presenten los dos tipos de señales en cuyo caso:

V1= f(VC, Vd) y V2= f(VC, Vd).

Y trabajando sobre las ecuaciones anteriores se obtiene:

V₁ = V_d + V₂ , y; V₁ = 2V_C - V₂. Sumando se tiene: V₁ = V_C + V_d/2

Las ecuaciones establecen que las tensiones de entrada pueden expresarse en función de una tensión de entrada en modo común y una tensión de entrada en modo diferencial.

Para la salida se tiene: V_0D = V₀₁ - V₀₂ , y; V_0C = (V₀₁ - V₀₂)/2

Procediendo de manera similar que para la entrada se tiene que:

2V₀₁ = 2V_0C + V_0D==> V₀₁ = V_0C + V_0D/2 , y; V₀₁ = V_0C - V_0D/2

==> V₀₁ = V_CA_C + V_D A_D/2 , y V₀₁ = V_CA_C- V_D A_D/2

Esta última ecuación indica que la salida de un amplificador práctico depende tanto de la señal de modo diferencial como de la señal en modo común.
Lo anterior se puede representar gráficamente con el siguiente circuito.

Amplificador diferencial que depende de la señal diferencial y la común.

La calidad de un amplificador diferencial se determina por la relación existente entre Ad y AC

esta relación se denomina relación de rechazo en modo común denotada por:

en la práctica CMRR se expresa en dB,

lo ideal es hacer el CMRR tan grande como sea posible para que el amplificador responda solo a la diferencia entre las tensiones de entrada, es decir que en la amplificación se amplifica Vd y se rechaza VC, esta es la principal característica del amplificador diferencial, la capacidad para rechazar o cancelar cierto tipo de señales indeseables.

http://80.24.233.45/amplificador-diferencial/index.htm

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