Amplificador

Tema 6

TEMA 6 Amplificador diferencial

6.1.- Introducción 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 análisisde 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.

6.2.- Análisis de un amplificador diferencial básico bipolar El amplificador diferencialconstituye 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, lostransistores 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 mododiferencial.
V CC V CC

RC
vo1 + vi1 Q1

RC
vo2 Q2 + VCC

IC
R C+2RE

Recta de carga estática

~
RE

~

vi2

ICQ

Q

IBQ

—V CC a)

VCEQ
b)

2VCC

VCE

Figura 6.1. a) Amplificador diferencial básico y b ) recta de carga estática.

I.S.B.N.:84-607-1933-2

Depósito

Legal:SA-138-2001

– 101 –

Electronica Básica para Ingenieros

6.2.1.- Análisis encontinua En el caso de que vi1 y vi2 sean componentes de pequeña señal, y suponiendo que hFE>>1, entonces se puede extraer del circuito de la figura 6.1.a la siguiente relación 0 ≈ VBE + (I E1 + I E 2 )R E − VCC (6.1)

La simetría del circuito y el hecho de que Q1 y Q2 son transistores idénticos hace que IE1=IE2=IE de forma que V − VBE I E ≈ I C = CC 2R E (6.2)

La ecuación de recta de cargaestática se obtiene aplicando KVL a la malla colector-emisor de los transistores: 2 VCC ≈ VCE + I C ( R C + 2 R E ) (6.3)

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.

6.2.2.- Análisis de lasconfiguraciones 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. Latensión de entrada en modo diferencial (vid) y modo común (vic) se definen como v id = v i1 − v i 2  v i1 + v i 2  v ic = 2  v i1 = v id / 2 + v ic  v i 2 = ±v id / 2 + v ic

VCC RC
vo1 Q1

VCC RC
vo2 Q2

o

RE (6.4)
+ +

A su vez, estas tensiones vid y vic dan lugar a dos tensiones de salida, en modo diferencial (vod) y modo común (voc), definidas de una manera similar comovod = vo1 − vo2  vo1 + vo2  voc = 2  vo1 = vod / 2 + voc  vo2 = ±vod / 2 + voc

~
vid/2

~
VCC
vic

–vid/2

~

o

(6.5)

Figura 6 . 2. Amplificador diferencial con tensiones en modo diferencial y modo común.

Con la definición de las tensiones en modo diferencial y modo común, el amplificador diferencial tiene dos ganancias, una en modo diferencial (Ad) y otra en modo...