laboratorio circuitos electronicos2 unmsm-previo-amplificador diferencial

Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Universidad

del Perú, DECANA DE AMERICA)

Facultad de ingeniería Electrónica y eléctrica Curso: •

laboratorio de circuitos electrónicos 2

Tema:

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

(Universidad del Perú, Decana de América)

FACULTAD FA CULTAD DE INGENIERIA INGENIERI A ELECTRÓNICA ELECTRÓNI CA  EL!CTRICA EL!CTRI CA

•

Amplifcador dierencial

Integrante: •

Paulino Sulca Deivis Gerson 12190226

Proesor: Celso Gerónimo

!MP"IFIC!#$% #IFE%ENCI!" 1.- Introducción l amplifcador dierencial es un circuito !ue constitu"e parte undamental de muc#os amplifcadores " comparadores " es la etapa clave de la amilia ló$ica C%& n este tema se describen " anali'an dierentes tipos de amplifcadores dierenciales basados en dispositivos bipolares& 2.- Análisis de un amplifcador dierencial básico bipolar l amplif amplifcad cador or dier dierenc encial ial consti constitu" tu"e e la etapa etapa de entrad entrada a m(s t)pica t)pica de la ma"or)a de los amplifcadores operaciones " comparadores* siendo adem(s el elemento b(sico de las puertas di$itales de la amilia ló$ica C%& n la f$ura 6&1&a aparece la estructura b(sica de este amplifcador& +no de sus aspectos m(s importantes es su simetr)a !ue le confere unas caracter)sticas mu" especiales de an(lisis " dise,o& Por ello* los transistores -1 " -2 deben ser ser id.nt id.ntic icos os** aspe aspect cto o !ue !ue /nica /nicame ment nte e se lo$ra lo$ra cuan cuando do el circ circui uito to est( est( abricado en un c#ip& eali'ar este amplifcador con componentes discretos pierde sus principales propiedades al romperse esa simetr)a& A continuación se reali'a un an(lisis de este amplifcador* primero en continua " lue$o en alterna donde se introducen los conceptos de conf$uración en modo com/n " modo dierencial&

%aboratorio de Circuitos lectrónicos P($ina 2



FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA  EL!CTRICA

2.1.- Análisis en continua n el caso de !ue vi1 " vi2 sean componentes de pe!ue,a se,al* " suponiendo !ue #331* entonces se puede e4traer del circuito de la f$ura 6&1&a la si$uiente relación

%a simetr)a del circuito " el #ec#o de !ue -1 " -2 son transistores id.nticos #ace !ue 1525 de orma -ue

%a ecuación de recta de car$a est(tica se obtiene aplicando 7% a la malla colector8emisor de los ransistores:

sta recta se encuentra dibu;ada en la f$ura 6&1&b& %a situación del punto de traba;o defne los l)mites de variación de se,al de entrada " el ran$o de

%aboratorio de Circuitos lectrónicos P($ina <



FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA  EL!CTRICA uncionamiento lineal permisible& %a m(4ima amplitud de salida se consi$ue cuando 7C-57CC&

&'&'( Análisis de las confguraciones en modo común y dierencial %a simetr)a del amplifcador dierencial permite simplifcar su An(lisis convirtiendo las tensiones de entrada en tensiones de entrada de modo com/n " modo dierencial& Adem(s* estos conceptos est(n en consonancia con las aplicaciones t)picas del amplifcador operacional !ue se suele utili'ar para amplifcar la dierencia entre las dos se,ales de entrada& %a tensión de entrada en modo dierencial =vid> " modo com/n =vic> se defnen como

A su ve'* estas tensiones vid " vic dan lu$ar a dos tensiones de salida* en modo dierencial =vod> " modo com/n =voc>* defnidas de una manera similar como

Con la defnición de las tensiones en modo dierencial " modo com/n* el amplifcador dierencial tiene dos $anancias* una en modo dierencial =Ad> " otra en modo com/n =Ac> defnidas como

%a aplicación de estos conceptos permite transormar el circuito de la f$ura 6&1&a en el de la f$ura 6&2& ste nuevo circuito presenta unas propiedades de simetr)a !ue acilita su an(lisis mediante la aplicación del principio de superposición a las entradas en modo dierencial " com/n independientemente& ? )anancia en modo dierencial

%aboratorio de Circuitos lectrónicos P($ina @



FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA  EL!CTRICA n la f$ura 6&< se muestra el circuito e!uivalente simplifcado del amplifcador dierencial cuando /nicamente se considera modo dierencial a la entrada& l an(lisis del circuito establece las si$uientes ecuaciones

esolviendo las ecuaciones de 6& se lle$a (cilmente a la si$uiente relación

siendo la /nica solución posible

resultando !ue ve 5 0

%aboratorio de Circuitos lectrónicos P($ina B



FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA  EL!CTRICA esta ecuación indica !ue la tensión de pe!ue,a se,al en el emisor de los transistores es nula* es decir* !ue ese nudo se comporta como un nudo de masa virtual no #a" !ue conundirla con la masa real del circuito& Por consi$uiente* anali'ar el circuito de la f$ura 6&< es e!uivalente a anali'ar los circuitos e!uivalentes del amplifcador dierencial en modo dierencial mostrados en las f$uras 6&@&a " 6&@&b& %a $anancia en tensión en modo dierencial de este amplifcador es

%a impedancia de entrada del circuito de la f$ura 6&@ es i5#ie& Por consi$uiente* la impedancia de entrada vista a trav.s de los dos terminales de entrada dierencial es

)anancia en modo com*n n la f$ura 6&B aparece el circuito e!uivalente del amplifcador dierencial cuando /nicamente se considera modo com/n a la entrada& Para obtener un circuito m(s simplifcado se va a determinar en primer lu$ar las impedancias e!uivalentes e1 " e2 vista a trav.s de los emisores de los transistores -1 " -2& stas impedancias se defnen como

%aboratorio de Circuitos lectrónicos P($ina 6




Anali'ando el la f$ura 6&B se obtiene la

circuito si$uiente ecuación

!ue permite demostrar !ue

Por otra parte* la tensión ve se puede e4presar como

" utili'ando las ecuaciones anteriores (cilmente se demuestra !ue

%aboratorio de Circuitos lectrónicos P($ina 

de



FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA  EL!CTRICA %ue$o* los emisores de -1 " -2 EvenF una resistencia e!uivalente de orma !ue el circuito de la f$ura 6&B se transorma en los circuitos e!uivalentes m(s sencillos mostrados en la f$uras 6&6&a " 6&6&b& (cilmente se demuestra !ue la $anancia en modo com/n es

en modo com*n ? %elación de rec+a,o +n amplifcador dierencial ideal tiene una tensión de salida proporcional a vid " no depende de la componente en modo com/n =Ac50>& n la pr(ctica no sucede as) " para medir esa desviación se introduce el concepto de relación de rec#a'o en modo com/n C en in$l.s common-mode rejection ratio o C& Se defne la C como la relación entre la $anancia en modo dierencial " modo com/n

!ue a veces se e4presa en decibelios como

3.- Amplifcador dierencial bipolar con uente de corriente n la etapa dierencial anterior una C mu" elevada e4i$e una  $rande en el caso ideal C ∞ si  ∞& Sin embar$o* la polari'ación del transistor es uertemente dependiente del valor de esta resistencia& +na alternativa !ue se utili'a en la pr(ctica consiste en sustituir la resistencia  por una uente de corriente& De esta manera* la polari'ación del circuito puede reali'arse con acilidad " la C es mu" elevada "a !ue una uente de corriente presenta una impedancia interna mu" alta&

%aboratorio de Circuitos lectrónicos P($ina H




n la f$ura 6&&a se muestra un amplifcador dierencial polari'ado con una uente de corriente de valor & sta corriente se reparte sim.tricamente en ambos transistores resultando !ue en continua

Cuando se aplica una tensión de entrada dierencial* la suma de corriente en ambos transistores se mantiene constante a * es decir* sto si$nifca !ue un incremento de corriente en un transistor ori$ina una disminución de corriente en la misma proporción en el otro transistor& %a $r(fca de la f$ura 6&&b presenta la caracter)stica de transerencia del amplifcador cuando se aplica una tensión en modo dierencial& ste circuito opera con tensiones m(4imas de entrada en modo dierencial ba;as del orden de 100m7I@7& Superado este valor uno de los transistores se corta " por el otro circula toda la corriente & %as caracter)sticas de transerencia son lineales en una pe!ue,a re$ión de operación =J27>& +na modifcación de este amplifcador para !ue traba;e con tensiones en modo dierencial ma"ores consiste en a,adir una resistencia de emisor tal como se describe en la f$ura 6&H&a& ste circuito mantiene la simetr)a de un amplifcador dierencial aumentando el ran$o de tensiones de entrada& ste eecto se puede observar claramente en la f$ura 6&H&b en donde la caracter)stica de transerencia tiene un ran$o de entrada lineal ma"or se$/n aumenta & l inconveniente es !ue la $anancia en modo dierencial disminu"e& Para este circuito* se puede demostrar !ue si #re5#oe50* la $anancia en modo dierencial vale

7alores ra'onables de  deben estar comprendidos entre B0 a 100K "a !ue con valores $randes la Ad se reduce e4cesivamente& %aboratorio de Circuitos lectrónicos P($ina 9




3.1.- Amplifcador dierencial con carga activa %as uentes de corriente pueden ser utili'adas como car$a activa en un amplifcador dierencial& l espe;o de corriente es el circuito !ue me;or se adapta al tener una resistencia interna no demasiado elevada la cual elimina problemas de polari'ación " mantiene una $anancia mu" alta& %a f$ura 6&9&a muestra la estructura de un amplifcador dierencial !ue tiene una car$a activa constituida por el espe;o de corriente ormado por los transistores PLP -<* -@ " -B& Por necesidades de polari'ación la intensidad de reerencia de este espe;o tiene !ue ser la mitad de  "a !ue las intensidades de colector de -1 " -@* " -2 " -< deben ser id.nticas& (cilmente se puede comprobar aplicando las propiedades de simetr)a del amplifcador dierencial !ue la $anancia en modo dierencial es

donde #oep " #oen es la resistencia de salida de un transistor PLP " LPL respectivamente&

%aboratorio de Circuitos lectrónicos  P($ina 10




n la f$ura 6&9&b se presenta un amplifcador dierencial con una car$a activa constituida por un espe;o de corriente =-<*-@> !ue necesita menos dispositivos !ue el caso anterior& iene una /nica salida !ue proporciona una conversión de entrada dierencial8salida simple = diferential to single-ended conversion > "* aun!ue en principio se rompe la simetr)a del amplifcador dierencial* este circuito tiene una $anancia en modo dierencial&

-. /0ué características resaltantes orece el am1li2cador dierencial3 • l circuito del amplifcador dierencial es una cone4ión de mu" $rande aceptación " uso en unidades de circuitos inte$rados& •

•

• •

•

Se puede utili'ar este amplifcador como un modo inversor =%a salida est( desasada 1H0 0 con respecto a la entrada>* o modo o modo no inversor =la salida no tiene una desase con respecto a la entrada>* o modo dierencial cuando utili'a los dos modos anteriores& %a caracter)stica principal del amplifcador dierencial es la $anancia mu" $rande cuando se aplican se,ales opuestas a las entradas* en comparación con la mu" pe!ue,a $anancia obtenida con entradas comunes& l amplifcador dierencial posee una $ran estabilidad e inmunidad a las se,ales intererentes& Se usa este amplifcador para amplifcar las se,ales en medios ruidosos* o sea el ruido es atenuado en este amplifcador =odo com/n* $anancia de volta;e pe!ue,a> " la se,al es amplifcada =odo dierencial* $anancia de volta;e es alta> n la f$ura aparece la estructura b(sica de este amplifcador& +no de sus aspectos m(s importantes es su simetr)a !ue le confere unas caracter)sticas mu" especiales de an(lisis " dise,o& Por ello* los transistores -1 " -2 deben ser id.nticos* aspecto !ue /nicamente se lo$ra cuando el circuito est( abricado en un c#ip&




FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA  EL!CTRICA eali'ar este amplifcador con componentes discretos pierde sus principales propiedades al romperse esa simetr)a

&. Encontrar los re1oso del e41erimentar de la 2gura 5a y 56'

Como los entonces traba;aremos en d&c


1untos am1li2cador

de a

nos piden puntos de reposo*




I EE

= I C 1

2

I C 1

Se sabe !ue:

 R B

Mperando en la malla de I B1 R B

+

0.7 + 220 I C 1

+

50 I C 1

" tambi.n !ue R E

" + I EE R E =

* obtenemos: 12V

I B1 .1 K Ω + 0.7 + (220 + 50)Ω. I C + I EE .4.7 K Ω = 12V I B1 .1 K Ω + 0.7 + I B1 =

6.2 µ A

I C 1 =

200. I B1

⇒ I EE =

270Ω.( β . I B1 ) + 2β . I B1 .4.7 K Ω = 12V

= 1.24mA

2.48mA

n los puntos de reposo: V CE 1 V B

=

.

= V CC − I C 1 RC =

12 − 1.24mA(1k ) = 10.76V

6.2mV

%aboratorio de Circuitos lectrónicos  P($ina 1<

=

I C 2



FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA  EL!CTRICA re =

26mV Ic1

re =

20.97

Como nos piden los puntos de reposo* traba;aremos en DC: raba;amos primero en la parte marcada* reali'aremos divisor de volta;e:

%aboratorio de Circuitos lectrónicos  P($ina 1@




V E

I EE = I EE I EE

2

12(4.7 K Ω )

= − 5.81V 4.7 K Ω + 5 K Ω = VB − VBE = − 5.81 − 0.7 ⇒ VE

V B = −

V E − ( −V EE )

3.9 K Ω = 1.4mA

=− 6.51

= 1.4mA

= I C 1 = I C 2 ⇒ I EE =

2 I C 1 = 2 I C 2

I C1 =

β ( I B1 )

I C 1 =

0.7 mA

I C1 =

β ( I B1 ) ⇒ I B1

V B1 =

3.5 µ A *1K Ω = 3.5mV

=

3.5µ A

VCE1 = VCC − I C 1 ( RC ) = 12 − 0.7 *1 = 11.3V

%aboratorio de Circuitos lectrónicos  P($ina 1B




5. Considerando 7ue 8- y 8& son dos se9ales de la misma magnitud 1ero desasadas una con res1ecto a la otra -;<= encontrar !d= !c= 8;= >i= >;= CM%%'

Con2guración modo com*n:

Av

Determinando la $anancia de volta;e:




FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA  EL!CTRICA β Ib1 Rc1

Vo

= −

Vi

= Ib

Av

Av Av

1β (re) + β Ib1(0.22k ) + β Ib1(50) + (β Ib1 + β Ib2)(4.7k )

Vo =

Vi −

=

1000β Ib1

9690.97β Ib1 0.1031

=−

Determinación de la impedancia de entrada en modo com/n: Zi

=

β (re) + β 220 + 50β + 2 β (4.7 k )

Zi

=

β (22.97 + 270 + 9400)

Zi

=

1938.452k

Determinación de la impedancia de salida en modo com/n: Zo

= Rc

Zo

=

1k

Con2guración modo dierencial

Determinación de la $anancia de volta;e en modo dierencial:

%aboratorio de Circuitos lectrónicos  P($ina 1



FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA  EL!CTRICA 7o 5 8NO1&c1 7d 5 O1 re Q   O1R20 Q  O1 =e=20Qre>> 5   O1 =re Q 20 Q e=20Qre>> Pero 7D 5 271 Ad 5 vovd 5 vo2v1 5 8c 2=re Q 20 Q e=PQre>>58 0&HH1> 511<&@H K id 5 11<&@H K Determinación de la impedancia de salida en modo dierencial: o 5 c 5 1K C 5 AdAc 5 80&HH1
Con2guración en modo com*n

%aboratorio de Circuitos lectrónicos  P($ina 1H




sta en con la uente 1&@mA #oe5 2B uS

T

paralelo

1#oe 5 @0 K

l procedimiento es el mismo para el circuito a solo a#ora el   es @0UΩ Determinando la $anancia de volta;e: 7o 5 8  O1&c1 71 5 O1re Q  O1R20 Q=   O1 Q b2>e 5   O1 =re Q 20 Q  e> Ac 5 7M71 5 8c=re Q 20 Q2e>580&012@B

Ac 5 80&012@B

mpedancia de entrada en modo com/n: iC 5  =re Q P Q 2e> 5

200=22&26Q20QH0000> 5 19> 5   O1 =re Q P Q e=20Qre>> Pero 7d 5 271 Ad 5 vov1 5 vo2vd 5 8c 2=re Q 20 Q e=20Qre>>5 80&HBHB1




FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA  EL!CTRICA Ad 5 80&HBHB1&

Impedancia de entrada en modo común id 5  =re Q 20 Q e=20Qre>> 511<&@H K K

i d 5 11<&@H

Determinación de la impedancia de salida en modo com/n: o 5 c 5 1K C 5 AdAc 5 80&HBHB1 80&012@B 5 6H&9B

?. /0ué venta@as se o6tiene al utili,ar una uente de corriente en lugar de la resistencia del emisor3 l uso de una uente de corriente en lu$ar de una resistencia de emisor determina de modo directo el valor fnal de mi corriente en la conf$uración del amplifcador dierencial " como este valor es el de continua* una uente de este tipo el valor de esta permanece constante " la $anancia se mantiene estable& Sabemos !ue una uente de corriente constante posee una alta impedancia con lo !ue e!uivalentemente tendr)amos una

R E

alta& Dado !ue

R

¿ ¿ ¿ −hfe∗ Rc∗1 A c =

R g

∗( Rg ∨¿ Rb )

¿

7emos !ue al aumentar la resistencia

R E

la $anancia en modo com/n

disminu"e " en consecuencia el C del amplifcador crece&


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