Amplificador diferencial

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Componente de circuito eléctrico que amplifica la diferencia de dos señales analógicas

A amplificador diferencial es un tipo de amplificador electrónico que amplifica la diferencia entre dos voltajes de entrada pero suprime cualquier voltaje común a las dos entradas. Es un circuito analógico con dos entradas $V_{{text{in}}}^{-}$ y $V_{{text{in}}}^{+}$ y una salida $V_{{text{out}}}$ , en el que la salida es idealmente proporcional a la diferencia entre los dos voltajes:

{displaystyle V_{text{out}}=A(V_{text{in}}^{+}-V_{text{in}}^{-}),}

Donde $A$ es la ganancia del amplificador.

Los amplificadores individuales generalmente se implementan agregando las resistencias de retroalimentación adecuadas a un amplificador operacional estándar o con un circuito integrado dedicado que contiene resistencias de retroalimentación internas. También es un subcomponente común de circuitos integrados más grandes que manejan señales analógicas.

Teoría

La salida de un amplificador diferencial ideal viene dada por

{displaystyle V_{text{out}}=A_{text{d}}(V_{text{in}}^{+}-V_{text{in}}^{-}),}

Donde $V_{{text{in}}}^{+}$ y $V_{{text{in}}}^{-}$ son los voltajes de entrada, y $A_{{text{d}}}$ es la ganancia diferencial.

En la práctica, sin embargo, la ganancia no es muy igual para los dos insumos. Esto significa, por ejemplo, que si $V_{{text{in}}}^{+}$ y $V_{{text{in}}}^{-}$ son iguales, la salida no será cero, ya que sería en el caso ideal. Una expresión más realista para la salida de un amplificador diferencial incluye un segundo término:

{displaystyle V_{text{out}}=A_{text{d}}(V_{text{in}}^{+}-V_{text{in}}^{-})+A_{text{c}}{frac {V_{text{in}}^{+}+V_{text{in}}^{-}}{2}},}

Donde $A_{{text{c}}}$ se llama la ganancia de movimiento común del amplificador.

Como los amplificadores diferenciales se utilizan a menudo para anular el ruido o polarizar los voltajes que aparecen en ambas entradas, generalmente se desea una ganancia de modo común baja.

La relación de rechazo de modo común (CMRR), generalmente definida como la relación entre la ganancia de modo diferencial y la ganancia de modo común, indica la capacidad del amplificador para cancelar con precisión los voltajes que son comunes a ambas entradas. La relación de rechazo en modo común se define como

{displaystyle {text{CMRR}}=10log _{10}left({frac {A_{text{d}}}{A_{text{c}}}}right)^{2}=20log _{10}{frac {A_{text{d}}}{|A_{text{c}}|}}.}

En un amplificador diferencial perfectamente simétrico, $A_{{text{c}}}$ es cero, y el CMRR es infinito. Tenga en cuenta que un amplificador diferencial es una forma más general de amplificador que una con una sola entrada; al basar una entrada de un amplificador diferencial, un amplificador de un solo sentido resultados.

Pareja de cola larga

Antecedentes históricos

Los amplificadores diferenciales modernos generalmente se implementan con un circuito básico de dos transistores llamado par "de cola larga" o par diferencial. Este circuito se implementó originalmente usando un par de tubos de vacío. El circuito funciona de la misma manera para todos los dispositivos de tres terminales con ganancia de corriente. Los puntos de polarización del circuito de resistencia de "cola larga" están determinados en gran medida por la ley de Ohm y menos por las características del componente activo.

El par de cola larga se desarrolló a partir de un conocimiento previo de las técnicas de circuitos push-pull y puentes de medición. El neurofisiólogo británico Bryan Matthews publicó en 1934 un circuito temprano que se parece mucho a un par de cola larga, y parece probable que se pretendiera que fuera un verdadero par de cola larga, pero se publicó con un error de dibujo. El primer circuito de par de cola larga definitivo aparece en una patente presentada por Alan Blumlein en 1936. A fines de la década de 1930, la topología estaba bien establecida y había sido descrita por varios autores, incluidos Frank Offner (1937), Otto Schmitt (1937) y Jan Friedrich Toennies (1938), y se usó particularmente para la detección y medición de impulsos fisiológicos.

El par de cola larga se usó con mucho éxito en los primeros tiempos de la informática británica, sobre todo el modelo Pilot ACE y sus descendientes, el EDSAC de Maurice Wilkes y probablemente otros diseñados por personas que trabajaron con Blumlein o sus compañeros. El par de cola larga tiene muchos atributos favorables si se usa como interruptor: en gran parte inmune a las variaciones de tubo (transistor) (de gran importancia cuando las máquinas contienen 1000 tubos o más), alta ganancia, estabilidad de ganancia, alta impedancia de entrada, salida media/baja impedancia, buen recortador (con una cola no demasiado larga), sin inversión (¡EDSAC no contenía inversores!) y grandes oscilaciones de voltaje de salida. Una desventaja es que la oscilación del voltaje de salida (típicamente ±10-20 V) se impuso a un alto voltaje de CC (200 V aproximadamente), lo que requiere cuidado en el acoplamiento de la señal, generalmente alguna forma de acoplamiento de CC de banda ancha. Muchas computadoras de esta época intentaron evitar este problema usando solo lógica de pulso acoplada a CA, lo que las hacía muy grandes y demasiado complejas (ENIAC: 18 000 tubos para una calculadora de 20 dígitos) o poco confiables. Los circuitos acoplados a CC se convirtieron en la norma después de la primera generación de computadoras de tubo de vacío.

Configuraciones

Un amplificador de par diferencial (de cola larga, acoplado por emisor) consta de dos etapas amplificadoras con degeneración común (emisor, fuente o cátodo).

Salida diferencial

Con dos entradas y dos salidas, forma una etapa de amplificador diferencial (Figura 2). Las dos bases (o rejillas o puertas) son entradas que son diferencialmente amplificadas (restadas y multiplicadas) por el par de transistores; pueden alimentarse con una señal de entrada diferencial (balanceada), o una entrada puede conectarse a tierra para formar un circuito divisor de fase. Un amplificador con salida diferencial puede impulsar una carga flotante u otra etapa con entrada diferencial.

Salida de un solo extremo

Si no se desea la salida diferencial, entonces solo se puede usar una salida (tomada de solo uno de los colectores (o ánodos o drenajes), sin tener en cuenta la otra salida; esta configuración se denomina single-ended salida. La ganancia es la mitad de la de la etapa con salida diferencial. Para evitar sacrificar la ganancia, se puede utilizar un convertidor de diferencial a un solo extremo. Esto a menudo se implementa como un espejo de corriente (Figura 3, a continuación).

Entrada de un solo extremo

El par diferencial se puede usar como un amplificador con una entrada de un solo extremo si una de las entradas está conectada a tierra o fijada a un voltaje de referencia (generalmente, el otro colector se usa como una salida de un solo extremo). Esta disposición se puede pensado como etapas de colector común y base común en cascada o como una etapa de base común amortiguada.

El amplificador acoplado al emisor se compensa por las variaciones de temperatura, se cancela V_BE y se evitan el efecto Miller y la saturación del transistor. Por eso se utiliza para formar amplificadores acoplados por emisor (evitando el efecto Miller), circuitos divisores de fase (obteniendo dos voltajes inversos), puertas e interruptores ECL (evitando la saturación del transistor), etc.

Operación

Para explicar el funcionamiento del circuito, a continuación se aíslan cuatro modos particulares aunque, en la práctica, algunos de ellos actúan simultáneamente y sus efectos se superponen.

Sesgo

En contraste con las etapas de amplificación clásicas que están polarizadas desde el lado de la base (y por lo tanto son altamente dependientes de β), el par diferencial está polarizado directamente desde el lado de los emisores al hundir/inyectar la corriente de reposo total. La retroalimentación negativa en serie (la degeneración del emisor) hace que los transistores actúen como estabilizadores de voltaje; los obliga a ajustar sus voltajes V_BE (corrientes de base) para pasar la corriente de reposo a través de sus uniones colector-emisor. Entonces, debido a la retroalimentación negativa, la corriente de reposo depende solo un poco de la β del transistor.

Las corrientes de base de polarización necesarias para evocar las corrientes de colector en reposo generalmente provienen de la tierra, pasan a través de las fuentes de entrada y entran en las bases. Por lo tanto, las fuentes deben ser galvánicas (CC) para garantizar rutas para la corriente de polarización y una resistencia lo suficientemente baja como para no crear caídas de voltaje significativas a través de ellas. De lo contrario, se deben conectar elementos de CC adicionales entre las bases y la tierra (o la fuente de alimentación positiva).

Modo común

En el modo común (los dos voltajes de entrada cambian en las mismas direcciones), los dos seguidores de voltaje (emisor) cooperan entre sí trabajando juntos en la carga común del emisor de alta resistencia (la carga de "cola larga"). Todos juntos aumentan o disminuyen el voltaje del punto emisor común (en sentido figurado, juntos 'tiran hacia arriba' o 'tiran hacia abajo' para que se mueva). Además, la carga dinámica "ayuda" cambiando su resistencia óhmica instantánea en la misma dirección que los voltajes de entrada (aumenta cuando aumenta el voltaje y viceversa), manteniendo así constante la resistencia total entre los dos rieles de suministro. Hay una retroalimentación negativa completa (100%); los dos voltajes base de entrada y el voltaje del emisor cambian simultáneamente mientras que las corrientes del colector y la corriente total no cambian. Como resultado, los voltajes del colector de salida tampoco cambian.

Modo diferencial

Normal. En modo diferencial (los dos voltajes de entrada cambian en direcciones opuestas), los dos seguidores de voltaje (emisor) se oponen entre sí, mientras que uno de ellos intenta aumentar el voltaje del emisor común. punto, el otro intenta disminuirlo (hablando en sentido figurado, uno de ellos "hala hacia arriba" del punto común mientras que el otro "hala hacia abajo" para que quede inamovible) y viceversa. Entonces, el punto común no cambia su voltaje; se comporta como una tierra virtual con una magnitud determinada por los voltajes de entrada de modo común. El elemento emisor de alta resistencia no juega ningún papel: es desviado por el otro seguidor emisor de baja resistencia. No hay retroalimentación negativa, ya que el voltaje del emisor no cambia en absoluto cuando cambian los voltajes de base de entrada. La corriente de reposo común se dirige vigorosamente entre los dos transistores y los voltajes del colector de salida cambian vigorosamente. Los dos transistores ponen a tierra mutuamente sus emisores; por lo tanto, aunque son etapas de colector común, en realidad actúan como etapas de emisor común con ganancia máxima. La estabilidad de polarización y la independencia de las variaciones en los parámetros del dispositivo se pueden mejorar mediante la retroalimentación negativa introducida a través de resistencias de cátodo/emisor con resistencias relativamente pequeñas.

Sobreexcitado. Si el voltaje diferencial de entrada cambia significativamente (más de unos cien milivoltios), el transistor impulsado por el voltaje de entrada más bajo se apaga y su voltaje de colector alcanza el riel de suministro positivo. A alta sobremarcha, la unión base-emisor se invierte. El otro transistor (impulsado por el voltaje de entrada más alto) impulsa toda la corriente. Si la resistencia en el colector es relativamente grande, el transistor se saturará. Con una resistencia de colector relativamente pequeña y una sobremarcha moderada, el emisor aún puede seguir la señal de entrada sin saturarse. Este modo se utiliza en interruptores diferenciales y puertas ECL.

Ruptura. Si el voltaje de entrada continúa aumentando y excede el voltaje de ruptura base-emisor, la unión base-emisor del transistor impulsado por el voltaje de entrada más bajo se descompone. Si las fuentes de entrada son de baja resistencia, una corriente ilimitada fluirá directamente a través del "puente de diodos" entre las dos fuentes de entrada y las dañará.

En modo común, el voltaje del emisor sigue las variaciones del voltaje de entrada; hay una retroalimentación negativa completa y la ganancia es mínima. En modo diferencial, el voltaje del emisor es fijo (igual al voltaje de entrada común instantáneo); no hay retroalimentación negativa y la ganancia es máxima.

Mejoras del amplificador diferencial

Espejo de corriente del colector

Las resistencias del colector se pueden reemplazar por un espejo de corriente (la sección azul superior en la Fig. 3), cuya parte de salida actúa como una carga activa. Por lo tanto, la señal de corriente del colector diferencial se convierte en una señal de voltaje de un solo extremo sin las pérdidas intrínsecas del 50%, por lo que la ganancia se duplica. Esto se logra copiando la corriente del colector de entrada del lado izquierdo al derecho, donde se suman las magnitudes de las dos señales de entrada. Para ello, la entrada del espejo de corriente se conecta a la salida izquierda y la salida del espejo de corriente se conecta a la salida derecha del amplificador diferencial.

El espejo de corriente copia la corriente del colector izquierdo y la pasa a través del transistor derecho que produce la corriente del colector derecho. En esta salida derecha del amplificador diferencial, se restan las dos corrientes de señal (cambios de corriente positiva y negativa). En este caso (señal de entrada diferencial), son iguales y opuestas. Por lo tanto, la diferencia es el doble de las corrientes de señal individuales (ΔI − (−ΔI) = 2ΔI), y el diferencial a una sola La conversión terminada se completa sin pérdidas de ganancia. La Fig. 4 muestra la característica de transmisión de este circuito.

Emisor fuente de corriente constante

La corriente quiescente debe ser constante para garantizar voltajes de colectores constantes en modo común. Este requisito no es tan importante en el caso de una salida diferencial, ya que aunque sus dos voltajes de colectores variarán simultáneamente su diferencia (el voltaje de salida) no variará. Pero en el caso de una salida única, es extremadamente importante mantener una corriente constante ya que el voltaje del colector de salida variará. Así el mayor la resistencia de la fuente actual $R_{{{text{e}}}}$ en el circuito original de Fig. 2, el inferior (mejor) es la ganancia de movimiento común $A_{{{text{c}}}}$ .

La corriente constante necesaria podría producirse conectando un elemento (resistencia) con una resistencia muy alta entre el nodo emisor compartido y el riel de suministro (negativo para transistores NPN y positivo para transistores PNP), pero eso requiere un alto voltaje de suministro. Entonces, en diseños más sofisticados, un elemento con alta resistencia diferencial (dinámica) que se aproxima a una fuente/sumidero de corriente constante (la parte inferior de la Fig. 3) se sustituye por la "cola larga". Por lo general, se implementa mediante un espejo de corriente debido a su alto voltaje de cumplimiento (pequeña caída de voltaje en el transistor de salida).

Consideraciones de interfaz

Fuente de entrada flotante

Es posible conectar una fuente flotante entre las dos bases, pero es necesario garantizar caminos para las corrientes de base de polarización. En el caso de fuente galvánica, solo se debe conectar una resistencia entre una de las bases y tierra. La corriente de polarización entrará directamente en esta base e indirectamente (a través de la fuente de entrada) en la otra. Si la fuente es capacitiva, se deben conectar dos resistencias entre las dos bases y la tierra para garantizar diferentes caminos para las corrientes de base.

Impedancia de entrada/salida

La impedancia de entrada del par diferencial depende en gran medida del modo de entrada. En modo común, las dos partes se comportan como etapas de colector común con altas cargas de emisor; por lo tanto, las impedancias de entrada son extremadamente altas. En modo diferencial, se comportan como etapas de emisor común con emisores a tierra; por lo tanto, las impedancias de entrada son bajas.

La impedancia de salida del par diferencial es alta (especialmente para el par diferencial mejorado con un espejo de corriente, como se muestra en la figura 3).

Rango de entrada/salida

El voltaje de entrada de modo común puede variar entre los dos rieles de suministro, pero no puede alcanzarlos de cerca ya que algunas caídas de voltaje (mínimo 1 voltio) deben permanecer en los transistores de salida de los dos espejos de corriente.

Amplificador operacional como amplificador diferencial

Un amplificador operacional, u op-amp, es un amplificador diferencial con una ganancia de modo diferencial muy alta, una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja. Se puede construir un amplificador diferencial de amplificador operacional con una ganancia predecible y estable mediante la aplicación de retroalimentación negativa (Figura 5). Algunos tipos de amplificadores diferenciales suelen incluir varios amplificadores diferenciales más simples. Por ejemplo, un amplificador completamente diferencial, un amplificador de instrumentación o un amplificador de aislamiento a menudo se construyen a partir de una combinación de varios amplificadores operacionales.

Aplicaciones

Los amplificadores diferenciales se encuentran en muchos circuitos que utilizan retroalimentación negativa en serie (seguidor de amplificador operacional, amplificador no inversor, etc.), donde una entrada se usa para la señal de entrada y la otra para la señal de retroalimentación (generalmente implementada por amplificadores operacionales). A modo de comparación, los amplificadores operacionales de un solo extremo inversores a la antigua de principios de la década de 1940 solo podían realizar una retroalimentación negativa paralela conectando redes de resistencia adicionales (un amplificador inversor de amplificador operacional es el ejemplo más popular). Una aplicación común es para el control de motores o servos, así como para aplicaciones de amplificación de señales. En electrónica discreta, un arreglo común para implementar un amplificador diferencial es el par de cola larga, que también suele encontrarse como elemento diferencial en la mayoría de los circuitos integrados de amplificadores operacionales. Un par de cola larga se puede usar como un multiplicador analógico con el voltaje diferencial como una entrada y la corriente de polarización como otra.

Se utiliza un amplificador diferencial como puerta lógica acoplada al emisor de la etapa de entrada y como interruptor. Cuando se usa como interruptor, el botón "izquierdo" base/grid se usa como entrada de señal y el "derecho" la base/rejilla está conectada a tierra; la salida se toma del colector/placa derecho. Cuando la entrada es cero o negativa, la salida es cercana a cero (pero no puede saturarse); cuando la entrada es positiva, la salida es la más positiva, siendo la operación dinámica la misma que el uso del amplificador descrito anteriormente.

La red de retroalimentación simétrica elimina la ganancia de modo común y el sesgo de modo común

En caso de que la corriente de polarización de entrada (no ideal) del amplificador operacional o la impedancia de entrada diferencial sean un efecto significativo, se puede seleccionar una red de retroalimentación que mejore el efecto de la señal de entrada de modo común y la polarización. En la Figura 6, los generadores de corriente modelan la corriente de polarización de entrada en cada terminal; I⁺_b y I⁻_b representan la corriente de polarización de entrada en los terminales V⁺ y V⁻ respectivamente.

El equivalente de Thévenin para la red que alimenta el terminal V⁺ tiene un voltaje V⁺' e impedancia R⁺':

{displaystyle {V^{+}}'=V_{text{in}}^{+}R_{parallel }^{+}/R_{text{i}}^{+}-I_{text{b}}^{+}R_{parallel }^{+};quad {text{where}}quad {R^{+}}'=R_{parallel }^{+}=R_{text{i}}^{+}parallel R_{text{f}}^{+},}

mientras que para la red que maneja el terminal V⁻:

{displaystyle {V^{-}}'=V_{text{in}}^{-}R_{parallel }^{-}/R_{text{i}}^{-}+V_{text{out}}R_{parallel }^{-}/R_{text{f}}^{-}-I_{text{b}}^{-}R_{parallel }^{-};quad {text{where}}quad {R^{-}}'=R_{parallel }^{-}=R_{text{i}}^{-}parallel R_{text{f}}^{-}.}

La salida del amplificador operacional es solo la ganancia de bucle abierto A_ol multiplicada por la corriente de entrada diferencial i multiplicada por la entrada diferencial impedancia 2R_d, por lo tanto

{displaystyle V_{text{out}}=A_{text{ol}}cdot 2R_{text{d}}{frac {{V^{+}}'-{V^{-}}'}{2R_{parallel }+2R_{text{d}}}}=({V^{+}}'-{V^{-}}')A_{text{ol}}R_{parallel }/(R_{parallel }parallel R_{text{d}}),}

donde R_|| es el promedio de R⁺_|| y R⁻_||.

Did you mean:

These equations undergo a great simplification of

{displaystyle R_{text{i}}^{+}=R_{text{i}}^{-},quad R_{text{f}}^{+}=R_{text{f}}^{-},}

resultando en la relación

{displaystyle V_{text{in}}^{+}-V_{text{in}}^{-}-R_{text{i}}I_{text{b}}^{Delta }=V_{text{out}}left[{frac {R_{text{i}}}{R_{text{f}}}}+{frac {1}{A_{text{ol}}{frac {R_{text{i}}}{R_{text{i}}parallel R_{text{f}}parallel R_{text{d}}}}}}right],}

lo que implica que la ganancia de bucle cerrado para la señal diferencial es V⁺_in − V⁻_in, pero la ganancia de modo común es idénticamente cero.

También implica que la corriente de polarización de entrada de modo común se canceló, dejando solo la corriente de compensación de entrada I^Δ_b = I⁺_b − I⁻_b sigue presente, y con un coeficiente de R_i. Es como si la corriente de compensación de entrada fuera equivalente a un voltaje de compensación de entrada que actúa a través de una resistencia de entrada R_i, que es la resistencia de origen de la red de retroalimentación en los terminales de entrada..

Finalmente, siempre que la ganancia de voltaje de bucle abierto A_ol sea mucho mayor que la unidad, la ganancia de voltaje de bucle cerrado es R_f/R_i, el valor que se obtendría a través del análisis de la regla empírica conocido como "terreno virtual".

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