ampl-dif

PRACTICA 6

EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

EDISON VALBUENA MORENO

20122005034

ANDRÉS MONTERO CANIZALES

20132005129

LUIS HERNAN LEGUIZAMO MUÑOZ

20132005171

PROFESOR

JOSE HUGO CASTELLANOS

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE INGENÍERIA

ELECTRONICA II - LABORATORIO

BOGOTA DC

2015

1. OBJETIVOS

Analizar el funcionamiento de un amplificador diferencial teniendo en cuenta las ganancias diferenciales y de modo común.

Observar los efectos de polarizar por medio de un espejo de corriente un amplificador diferencial.

Identificar el efecto que produce introducir una carga activa al amplificador diferencial.

Reconocer la importancia de utilizar transistores de un mismo circuito integrado para implementar un amplificador diferencial con espejo de corriente y cargas activas.

2. INTRODUCCION

El Amplificador diferencial se caracteriza por presentar dos transistores idénticos con similares características, tanto internas como de las redes de polarización. Ya que el circuito dispone dos entradas y dos salidas de señal, existen cuatro configuraciones posibles realizando las distintas combinaciones entre entradas y salida. Tiene dos modos básicos de trabajo los cuales son:

Modo Común. Consideremos que las dos tensiones V1 y V2 aumentan en v/2. La tensión diferencial Vd permanece nula mientras que Ic1 e Ic2 son iguales. No obstante la tensión VE aumenta. Por lo tanto la ganancia de esta etapa es notablemente mayor en el funcionamiento como modo diferencial que como modo común.

Modo Diferencial. Para V1=V2 y suponiendo F>>1, las corrientes de colector y emisor de cada etapa son iguales. Todas estas corrientes tienen magnitudes iguales a IE/2 debido a la simetría del circuito y a la despreciable corriente que circula por RE. Si incrementamos V1 en v/2 y simultáneamente disminuimos V2 en v/2, la señal de salida aumenta en v.

3. MARCO TEÓRICO

El amplificador diferencial constituye la etapa de entrada más típica de la mayoría de los amplificadores operacionales y comparadores, siendo además el elemento básico de las puertas digitales de la familia lógica ECL. Uno de sus aspectos más importantes es su simetría, por ello, los transistores Q1 y Q2 deben ser idénticos, lo cual un circuito integrado (ca3086) nos proporciona.

http://www.ecured.cu/index.php/Circuito

El circuito del amplificador diferencial es una conexión de muy grande aceptación y uso en unidades de circuitos integrados. Esta conexión se puede describir considerando el amplificador diferencial básico mostrado en la figura 1. Observe que el circuito cuenta con dos entradas y dos salidas distintas, y que los emisores están conectados entre sí. Si bien la mayoría de los circuitos de amplificador utilizan dos fuentes de voltaje distintas, el circuito también puede operar con una sola fuente.

Figura 1.Circuito del amplificador diferencial básico.

La ganancia en tensión en modo diferencial de este amplificador es

Figura 2. Modelo a pequeña señal Amplificador diferencial

La ganancia en modo común debido a una resistencia equivalente de 2RE:

Figura 3. Modelo pequeña señal modo común

Un amplificador diferencial ideal tiene una tensión de salida proporcional a vid y no depende del componente en modo común (Ac=0). En la práctica no sucede así y para medir esa desviación se introduce el concepto de relación de rechazo en modo común CMRR y se define como la relación entre la ganancia en modo diferencial y modo común: CMRR= (Ad/Ac)

Figura 4. Amplificador diferencial con carga activa y curva característica

4. CÁLCULOS TEÓRICOS Y DISEÑO

Para un VCC=24v y un ICQ=0,5 mA

Características CA3086 tomadas del datasheet hfe: 100

Polarización:

Rc= 8V0.5mA

=16K Ωluego :2ℜ=16 k ℜ=8k Ω

12=IbRb+Vbe+8V →4V= Ichfe

Rb+Vbe

3.3= Ichfe

Rb → Rb=3.3∗hfe0.5mA

finalmente :Rb=660 kΩ

hfe=100 I CQ=0.5mA RC=16kΩ Re=8kΩ Rb=660kΩ

hie=26mV ( hfeI CQ

)=5.2k Ω RL=100kΩV g=2mV Rg=50Ω

Para obtener la ganancia diferencial ( A¿¿ d)¿, se hace una malla de voltaje:

V g−I b1 (hie+Rg )+ I b2 (hie )=0 ; I b1=−I b2 porque estan encontrafase

V g−I b1 (hie+Rg )−I b1 (hie )=0dedonde obtenemos I b1=V g

2hie+Rg

I C=−hfe(I ¿¿b)→ I C=−hfe (V g )2hie+Rg

;V 0=−hfe (V g )2hie+Rg

.( RC RL

RC+RL)¿

Av1=

−hfe( RC RL

RC+RL)

2hie+Rg

→ Av 1=−131.991

Av1=

−hfe( RC RL

RC+RL)

2hie+Rg

→ Av 1=−131.991

Av2=

hfe( RC RL

RC+RL)

2hie+Rg

→ Av 2=131.991

Ad=Av1−Av 2=−263.983 (balanceada)

Para obtener la ganancia común ( A¿¿ c)¿, se hace:

I b=V g

hie+Rg+ (hfe+1 )2ℜ

V 0=−hfe ( I b ) ( RC RL

RC+RL)entonces :ACv1=

V 0

V g

→ ACv 1=

−hfe( RC RL

RC+ RL)

hie+Rg+(hfe+1 )2ℜ

La señal de entrada en modo común es la misma en las bases: ACv1=−0.86 y ACv2=ACv1

Ac=ACv1+ ACv2=−1.71

Finalmente:

CMRR=Ad

A c=155.2

Utilizando un espejo de corriente para polarización

Tomando del Datasheet, para 0.5mA: hoe=9.3610−6mho y ro=

1hoe

=106.84 kΩ

ACv11=

−hfe( RC RL

RC+RL)

hie+Rg+ (hfe+1 )2 ro

→ ACv11=−0.064

ACv22=ACv11d onde AC 2=ACv 11+ACv22=−0.128

El valor de la ganancia diferencial se mantiene constante, con lo cual:

CMRR 2=Ad

A c2=2.066∗103

Colocando un espejo de corriente como carga activa, Rc es reemplazada por la impedancia de salida del espejo de corriente

hoec=25.10−6S yroc=1

hoec=40 kΩ parametros tomados del Datasheet

ACv13=

−hfe( roc RL

r oc+RL)

2hie+Rg

→ ACv13=−276.411

ACv23=

hfe( roc RL

r oc+RL)

2hie+Rg

→ ACv13=273.411

Ad 3=ACv13−ACv23=−546.822

Ac 3=ACv13+ ACv23=−0.265

CMRR 3=Ad 3

A c3=2.066∗103

Circuito:

Amplificador Diferencial Basico Amplificador Diferencial Con Espejo de Corriente

Q11

2N2222*

Q12

2N2222*

R218kΩ

VCC12V

VEE-12V

R2216kΩ

R2316kΩ

R24660kΩ

R25660kΩ

Q13

2N2222*

Q142N2222*

VCC12V

VCC

12V

R2616kΩ

R2716kΩ

R28660kΩ

R29660kΩ

C710µF

R30

22.2kΩ Q15

2N2222*

Q16

2N2222*VEE

-12V

Amplificador Diferencial en el integrado LM723

Q1

2N2222*

Q22N2222*

VCC12V

VCC

12V

R3660kΩ

R4660kΩ

C510µF

R5

22.2kΩ Q7

2N2222*

Q8

2N2222*VEE

-12V

Q9

2N3906

Q10

2N3906

Q17

2N3906

Q18

2N3906 R1

22.2kΩ

R2

22.2kΩ

VEE-12V

VEE-12V

5. SIMULACIÓN

Circuito Desbalanceado

Circuito Balanceado

6. DESARROLLO DELA GUIA PASO A PASO

1. Verificar la conexión de los instrumentos de trabajo de laboratorio y montar los circuitos correspondientes en protoboard, con el uso del integrado ca3086, transistores y resistencias, con condiciones (Icq = 0.5ma y V=24v) y verificar correcta polarización

Los valores obtenidos para la polarización de esta configuración en par Cascode fueron los siguientes:

hfe=100 I CQ=0.5mA RC=16kΩ Re=8kΩ Rb=660kΩ

hie=26mV ( hfeI CQ

)=5.2kΩ RL=100kΩ

Ver Cálculos y Diseños teóricos, valores de polarización.

2. Aplicar Vi=Vpsen(wt ) a base 1, con base 2 a tierra AC (Utilizar un condensador) Obtener Ad

Medida Av1

Teórica Av1 Error

Medida Av2

Teórica Av2 Error Medida Teór Error

0,096 -2,64 2,86 -27,50 -131,99 79,17 29,79 131,99 77,43 -57,29 -263,98 78,30

Ad BalanceadaAd DesbalanceadaVi (V) Vo1 (V) Vo2 (V)

3. Aplicar en ambas entradas vi=Vpsen(wt ). Obtener Ac y el CMRR

Medida Av1

Teórica Av1 Error

Medida Av2


2,2 -1,88 -1,92 -0,85 -0,85 0,42 -0,87 -0,85 2,55 -1,73 -1,70 1,48

Vi (V) Vo1 (V) Vo2 (V)

Ac Desbalanceada Ac Balanceada

CMRRmedid

oteórico error

83.169 155.100 46.04%

4. Cambiar Re por una fuente de corriente constante (utilizar espejo de corriente básico) para las mismas condiciones del paso 1. Repetir pasos 2 y 3. Con estos resultados comparar los CMRR

Medida Av1

Teórica Av1 Error

Medida Av2


0,148 -4,56 4,12 -30,81 -131,99 76,66 27,84 131,99 78,91 -58,65 -263,98 77,78


Ad Desbalanceada Ad Balanceada

Medida Av1

Teórica Av1 Error

Medida Av2


5,68 -1,6 -1,64 -0,28 -0,06 340,14 -0,29 -0,06 351,14 -0,57 -0,13 345,64



medido teorico error102,82 2062,34 95,01

CMRR

medido teoricofactor relacion 3,10 13,30

5. Cambiar Rc por una carga activa, utilizando espejo de corriente ( usando transistores PNP con características similares a los del arreglo CA3086), obtener la Ad y comparar con la obtenida en paso 2, comentar y concluir

Medida Av1Teórica Av1 Error

Medida Av2


0,086 -3,91 3,84 -45,47 -273,41 83,37 44,65 273,40 83,67 -90,12 -546,82 83,52


Ad Desbalanceada Ad Balanceada

Medida Av1Teórica Av1 Error

Medida Av2


3,65 -1,74 -1,65 -0,48 -0,13 261,15 -0,45 -0,13 242,47 -0,93 -0,26 251,81



6. Utilizando un amplificador diferencial constitutivo de un mismo microcircuito (circuito integrado LM723), obtener Ac, Ad y el CMRR (Vcc=+/- 12 v) y comparar con lo obtenido en el paso 5, ¿cual muestra mejores resultados? Explicar

Ad Balanceada

Medida Av1 Medida Av2 Medida

0,056 -8 7,76 -142,86 138,57 -281,43

Vi (V) Vo1 (V) Vo2 (V)Ad Desbalanceada

AC Balanceada

Medida Av1 Medida Av2 Medida

5,32 -0,34 -0,34 -0,06 -0,06 -0,13

Vi (V) Vo1 (V) Vo2 (V)AC Desbalanceada

CMRR 3medido

2201,76

LM723 Punto 5 factor LM723 Punto 5 factor LM723 Punto 5 factor-281,43 -90,12 3,12284 -0,13 -0,26 0,5 2201,76 97,03 22,692041

Ac cmrrAd

7. IMÁGENES OSCILOSCOPIO

Ganancia diferencial punto 2 Ganancia común punto 2

Ganancia diferencial con espejo de corriente Ganancia común con espejo de corriente

Ganancia diferencia LM723 Ganancia común LM723

8. ANÁLISIS DE DATOS

Al implementar un espejo de corriente básico en remplazo de la resistencia de emisor del amplificador diferencial, se presenta una disminución del factor de rechazo de modo común (CMRR) en un factor de aproximadamente 3 en la práctica y de aproximadamente 13 teóricamente.

En el LM723, se presenta una ganancia diferencial mayor y una ganancia en modo común menor, esto se ve reflejado en el CMRR que aumenta en un factor de 22 veces.

Se observa como la ganancia de modo diferencial aumenta cuando las resistencias de colectores son cambiadas por cargas activas en una relación de 1,5 aproximadamente, pero esto se ve contrarrestado por un aumento de la ganancia de modo común en un factor de 1,6 aproximadamente con lo cual el CMRR se mantiene comparativamente igual en la práctica.

9. CONCLUSIONES

Cuando se implementa un espejo de corriente en cambio de la resistencia de emisor se produce un aumento de CMRR debido a que se remplaza la impedancia vista en el emisor por la impedancia de salida del espejo de corriente, esto minimizando la ganancia común.

Utilizando el amplificador diferencial contenido en el circuito integrado LM723 se obtiene un mejor desempeño medido por el CMRR debido a que en este circuito integrado se usa una carga activa y un espejo de corriente, con esto la impedancia se incrementa y es más estable por el hecho de que se encuentra dentro del mismo microcircuito.

Al implementar una carga activa los valores de CMRR aumentan ligeramente puesto que tanto la ganancia diferencial como la ganancia común aumentan, aun así en la práctica este amplificador diferencial presenta un mejor desempeño dado que su impedancia de salida es más alta y la ganancia diferencial aumenta.

Las tablas que se trataron de hacer en el punto 6, Desarrollo de la guía paso por paso, indican que la relación entre los CMRR medidos y cálculos poseen un porcentaje de error grande que esta entre el 50% y el 90%, en cambio al variar el tipo de carga o polarización por espejo de corriente no son muchos los cambios que se tiene entre las ganancias comunes y diferenciales ver 4, Cálculos teóricos y Diseño.

10. BIBLIOGRAFÍA

Electrónica básica para ingenieros, Gustavo Ruiz Circuitos Microelectrónicos, Rashid&Thompson Circuitos Microelectrónicos, Sedra Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, Robert Boylestad

11. ANEXOS

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