Universidad Politécnica Salesiana

Electrónica Analógica II

Ingeniería Electrónica 5to Nivel

Resumen Capítulo 17 “Amplificadores Diferenciales”

Integrantes:

Fernanda Sinchire

Eduardo Medina

Andrés Valle

Diego Duque

Jonathan Echeverría

2010-03-31

EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL El amplificado r diferencial es la clave para lograr que un circuito integrado puede acoplar directamente etapas, además que este elimina el condensador de acoplo de emisor. Entrada y salida de los diferenciales Un amplificador diferencial esta constituido por dos etapas en EC en paralelo con una resistencia de emisor común, posee dos tensiones de entrada y dos de colector, sin embargo por tener estas características se lo considera como una sola etapa. La tensión alterna de salida vout se define como:

Vout = Vc2 – Vc1 “Esta tensión se denomina salida diferencial porque combina las dos tensiones alternas de colector en una tensión que es igual a la diferencia de las tensiones de colector.”

Figura 17-1. Entrada diferencial y salida diferencial. Se podría alcanzar simetría perfecta en vout al ser las dos tensiones similares conforme, varié v variaran las tensiones y con ello la polaridad. La ecuación para la tensión de salida es:

vout = A(v, - v2) Terminal de salida único Otra de las características de un amplificador diferencial es que necesita una carga flotante ya que ningún extremo de la carga puede obtener contacto con masa. Podemos destacar que un amplificador diferencial es multifuncional ya que puede alimentar cargas de un terminal como: etapas en EC, seguidores de emisores y otros circuitos Al poseer un único terminal de salida, el ingreso de tensión se reducirá a la mitad a comparación de que cuando poseía salida diferencial. Esto se debe por que la salida es tomada por un colector. Configuraciones con entrada no inversora Casi siempre se activan una de las dos entradas, esta configuración tiene una entrada no inversora y una salida diferencial.

vout = -Av1

Figura 17-2. a) Entrada diferencial y salida de un terminal; b) Símbolo para

Diagrama de bloques.

Figura 17-3. a) Entrada no inversora y salida diferencial; b) entrada no inversora y salida de un terminal. Configuraciones con entrada inversora En algunas aplicaciones v2 es la entrada activa y v1 es la entrada conectada a masa se simplifica a:

vout = -Av2

Conclusión Las cuatro configuraciones básicas de un amplificador diferencial son combinaciones entre entrada y salida diferencial.

Figura 17-4. a) Entrada inversora y salida diferencial; b) entrada inversora y salida de un terminal.

ANÁLISIS EN CONTINUA DE UN AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

Al poseer un circuito equivalente de corriente continúa para un amplificador diferencial, suponemos que los transistores son idénticos a las resistencias del colector, además de que la basa se encontrara que las bases están conectadas a masa. La polarización relacionada con este circuito equivalente de corriente continua es idéntica a la de emisor con dos fuentes de alimentación.

Análisis Ideal La corriente a través de la resistencia común de emisor, RE, se denomina corriente de polarización. En este caso toda la tensión VEE se genera a través de RE y la corriente de polarización es:

IT = (VEE) ( RE) Cuando las dos mitades de la Figura 17-5a están perfectamente igualadas, la corriente de polarización se dividirá por igual; por tanto, cada transistor tiene una corriente de emisor de:

IE = (IT)

(2)

La tensión continua en cada colector viene dada por la siguiente ecuación, ya familiar:

Vc = Vcc - ICRC Segunda Aproximación Se puede mejorar el análisis de continua incluyendo la caída de tensión VBE a través de cada diodo emisor. Así, la corriente de polarización vale:

IT = (VEE- VBE) (RE)

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.

IT = (VEE- VBE)

RE+ (RB) (2βdc)

Aunque las resistencias de base tienen un efecto despreciable en la corriente de polarización, pueden producir tensiones de entrada erróneas cuando las dos mitades del amplificador diferencial no son perfectamente simétricas

ANALISIS EN ALTERNA DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL Después de derivar su ganancia de tensión, se extenderá el resultado a las otras configuraciones.

Teoría de funcionamiento: La Figura 17-8 representa una entrada no inversora y salida de un terminal. Para valores grandes de RE, la corriente de polarizaci6n se puede considerar constante cuando hay una señal alterna pequeña. A causa de ello, las dos mitades de un amplificador diferencial responden de manera complementaria a la entrada no inversora. En otras

palabras, un increment0 de la comente de emisor de Q, produce una reducci6n de la comente de emisor de Q2, y viceversa.

Ganancia en el terminal de salida único La figura muestra el circuito equivalente para señal. Nótese que cada transistor tiene una r´e. También, la resistencia

de polarizaci6n RE esta en paralelo con ri del transistor de la derecha. En cualquier diseño práctico, RE es mucho

mayor que ri, por lo que se puede eliminar RE para un primer análisis.

Ganancia en la salida diferencial La Figura 17-9 simboliza el circuito equivalente para señal para una entrada no inversora y salida diferencial. El análisis es casi idéntico al realizado en el ejemplo anterior, excepto que la tensi6n de salida es el doble, porque hay dos resistencias de colector.

Configuraciones con entrada inversora

La figura muestra una entrada inversora y salida de un terminal. El análisis de alterna es casi idéntico al análisis no inversor. En este circuito, la señal inversora v2 produce una tensi6n alterna de salida amplificada e invertida.

La r de cada transistor sigue siendo parte de un divisor de tensi6n en el circuito equivalente para señal. Así, la tensión alterna a través de RE es la mitad de la tensión de la entrada no inversora. Si se emplea una salida diferencial, la ganancia de tensión es el doble de la que se ha explicado previamente.

Configuraciones con entrada diferencial Las configuraciones con entrada diferencial tienen ambas entradas activas al 'mismo tiempo. El análisis de alterna se puede simplificar utilizando el teorema de superposición, de la siguiente forma: como se conoce el comporta miento de un amplificador diferencial con entradas inversora y no inversora, se pueden combinar ambos resultados para obtener las ecuaciones para las configuraciones con entrada diferencial.

Tabla de ganancias de tensión

Impedancia de entrada

En una etapa en EC, la impedancia de entrada de la base viene dada por la expresión. En un amplificador diferencial la impedancia de entrada de cada base es dos veces mayor.

La impedancia de entrada, de un amplificador diferencial es el, doble porque hay dos resistencias de emisor para señal ri en el circuit0 equivalente para señal en lugar de una.

CARÁCTERÍSTICAS DE ENTRADA DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL Para muchas aplicaciones la suposición de simetría perfecta en un amplificador diferencial es una buena aproximación, pero para aplicaciones de precisión no se puede tratar como idénticas las dos mitades del amplificador diferencial.

CORRIENTE DE POLARIZACIÓN DE ENTRADA La corriente de polarización de entrada se define como el promedio de las corrientes continuas de base:

CORRIENTE DE OFFSET DE ENTRADA La corriente de offset de entrada se define como la diferencia entre las corrientes continuas de base:

Esta diferencia entre los circuitos de base indica lo parecidos que son con los transistores. Si son idénticos la corriente de offset de entrada es cero.

CORRIENTES DE BASE Y OFFSETS

EFECTO DE LA CORRIENTE DE BASE Algunos amplificadores diferenciales funcionan con una resistencia de base solamente en uno de los lados, como se

muestra en la Figura:

La corriente de base a través de produce una tensión continua de entrada no inversora de:

EFECTO DE LA CORRIENTE DE OFFSET DE ENTRADA Una manera de reducir la tensión de error de salida pasa por utilizar una resistencia de base igual en el otro lado del amplificador diferencial, como se presenta en la siguiente figura:

TENSIÓN DE OFFSET DE ENTRADA Cuando se integra un amplificador operacional como la primera etapa de un op amp, las dos mitades son casi iguales, pero no totalmente idénticas. Para empezar las dos resistencias de colector pueden ser diferentes.

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. La tensión de offset de entrada se define como la tensión de entrada que produciría la misma tensión error de salida en un amplificador diferencial perfecto. Expresándolo como una ecuación:

En esta ecuación, no incluye los efectos de la corriente de polarización de entrada ni de la corriente de offset

de entrada porque ambas bases están a masa cuando se mide .

EFECTOS COMBINADOS En la siguiente figura la tensión de salida es la superposición de todos los efectos existentes a la entrada, para empezar tenemos la entrada alterna ideal:

Que es lo que se desea. Es la tensión que proviene de las dos fuentes de entrada. Se amplifica para producir la salida alterna deseada:

Después están las tres entradas continuas de offset no deseadas.

La ventaja de estas ecuaciones es que usan valores que aparecen en la hoja de características. Las tres tensiones de offset se amplifican para producir la tensión de offset de salida:

En muchos casos se puede ignorar , hecho que dependerá de la aplicación.

RESISTENCIAS DE BASE IGUALES Cuando los errores de offset y polarización no se pueden ignoran existen otros remedios. Como ya se mencionó, una de las primeras cosas que puede hacer un diseñador consiste en utilizar resistencias de base iguales:

, lo que provoca un mayor parecido entre ambas mitades del amplificador diferencial porque las ecuaciones se convierten en:

Si se necesita una mayor compensación, la mejor solución es emplear circuitos de anulación que se sugieren en las hojas de características.

EJEMPLO 17-8

El amplificador diferencial de la Figura 17-17 tiene una A = 200, Iin (polarización) = 3uA , Iin (offset) = 0,5uA y Vin(offset) = 1mV. ¿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:

La tensión de offset de salida es:

GANANCIA EN MODO COMUN. Cuando se tiene una entrada diferencial y salida de un terminal, se aplica la misma tensión de entrada a cada base a esto se denomina señal en modo común. Se tiene dos condiciones con el amplificador diferencial si:

Es perfectamente simétrico no existe tensión alterna de salida por =

No es perfectamente simétrico existirá una pequeña tensión alterna de salida. A continuación se puede observar en los grafico lo dicho anteriormente.

Con una señal en modo común, la ganancia de tensión en modo común es aproximadamente igual a:

=

Con los valores típicos de y , la ganancia de tensión en modo común es generalmente menor que .

Relación de rechazo al modo común La relación de rechazo al modo común (RRMC) es la ganancia de tensión dividida por la ganancia de tensión en modo común, de ahí tendremos matemáticamente:

Mientras mayor es RRMC, mejor esto significa que el amplificador diferencial amplifica la señal deseada y la discrimina frente a la señal en modo común. En las hojas de datos vienen en decibelios y para esta conversión tendremos:

EJEMPLO En la figura 17-21, ¿cuál es la ganancia de tensión en modo común? ¿y la tensión de salida? SOLUCIÓN Con la ecuación de ganancia, obtenemos:

= = 0.5

La tensión de salida es:

Como podemos observar, el amplificador diferencial atenúa (o debilita) la señal en modo común, en lugar de amplificarla.

CIRCUITOS INTEGRADOS La invención del circuito integrado (CI) en 1959 fue un hecho muy importante debido a que los componentes ya no eran discretos, sino integrados, lo que significa que se producen y conectan durante el proceso de fabricación en un único chip, un pequeño pedazo de material semiconductor. Al ser sus componentes integrados microscópicamente pequeños, un fabricante puede colocar miles de ellos en el espacio ocupado por un único transistor discreto. Aquí se proporciona una explicación simplificada de la idea de la creación CI bipolar.

Idea básica Primero el fabricante produce un cristal de varias pulgadas de largo, éste se corta en muchas obleas delgadas.

Un lado de la oblea se reviste de un aislante y se pule para dejar libre de asperezas su superficie. A esta oblea se le llama sustrato , y es el que se usará como soporte de los componentes integrados, después estas obleas se colocan

en un horno, aquí se hace circular por encima de ellas un gas de átomos de silicio y átomos pentavalentes, lo que forma una capa delgada de semiconductor tipo n en la superficie del sustrato, esta delgada capa se denomina capa epitaxial; para evitar que esta capa se contamine, se aplica sobre esta oxígeno puro. Los átomos de oxígeno se combinan con los de silicio para formar una capa de dióxido de silicio en la

superficie, esta capa cristalina sella la superficie y evita reacciones químicas posteriores. Este sellado se conoce como pasivación. La oblea, se corta en áreas rectangulares, como se muestra en la figura posterior. Cada una de estas se convertirá en un chip.

Para construir un transistor integrado se sigue:

Una sección del se retira dejando expuesta una parte de la capa epitaxia.

La oblea se coloca entonces en un horno donde átomos trivalentes se difunden en dicha capa.

La concentración de átomos trivalentes es suficiente para transformar la capa epitaxia expuesta de material n en material p.

A continuación tenemos unas ilustraciones de lo antes mencionado.

Los transistores, diodos y resistencias son fáciles de fabricar en un chip. Por esta razón, casi todos los circuitos integrados utilizan esos componentes. No es práctico integrar en un chip bobinas ni condensadores grandes. A continuación mostramos una figura sonde se ve cómo va la polaridad de un de estos integrados.

Un ejemplo simple Para tener una idea de cómo se produce un circuito, examinemos el circuito de tres componentes de la siguiente figura.

Es el tipo más común de circuito integrado. El CI monolíticos puede efectuar todo tipo de funciones. CI de Lapa fina y de capa gruesa. Estos dispositivos son mayores que los CI monolíticos pero menores que los circuitos discretos. Otro CI popular, utilizado en aplicaciones de alta potencia, es el CI hibrido, combinan bien dos o más CI monolíticos en un solo circuito o CI monolítico con circuitos de capa fina o de capa gruesa. NIVELES DE INTEGRACIÓN La integración a media escala (MSI) se refiere a los CI que tienen de 12 a 100 componentes integrados por chip. La integración a gran escala (LSI) hace referencia a CI con más de cien componentes. Debido a que son necesarios pocos pasos para hacer un transistor CMOS integrado. La integración a muy gran escala (VLSI) se refiere a los CI que tienen miles (o cientos de miles) de componentes integrados por chip. EL ESPEJO DE CORRIENTE A un circuito como el de la Figura se le denomina espejo de corriente porque la corriente de colector es como la imagen especular de la corriente por la resistencia. Los espejos de corriente se utilizan como fuentes de corriente y cargas activas en el diseño de CI. EL ESPEJO DE CORRIENTE ALIMENTA LA CORRIENTE DE POLARIZACIÓN Cuanto más grande sea el valor de RE, mayor será el valor de CMRR. Una forma de obtener una RE equivalente de valor grande consiste en utilizar un espejo de corriente para producir la corriente de polarización.

CARGA ACTIVA La ganancia de tensión es mucho mayor con una carga activa que con una resistencia ordinaria.

EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL CARGADO Cuando se usa resistencia de carga, el análisis es mucho más complicado, sobre todo con salidas diferenciales. Hay varias formas de calcular el efecto que produce esta resistencia de carga, el teorema de Thevenin hace que la solución sea más fácil. Ejemplo: Cuál es la tención de carga en la figura cuando ?

Idealmente la corriente de polarización es 2mA la corriente de emisor es 1mA La ganancia de tención en ausencia de carga es:

La tensión de thevenin o de salida en ausencia de carga es:

La resistencia de thevenin:

BIBLIOGRAFÍA:

PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA; Malvino Albert Paul,

décima edision,2000; Capítulo XVII, Pág. 625-671