Amplificador diferencial con transistores bjt. - mrelberni PDF

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Amplificador diferencial es un arreglo realizado mediante transistores, es el circuito principal de los amplificadores operacionales integrados comerciales y de muchos otros circuitos integrados, se verá el caso del amplificador diferencial construido a partir de transistores bipolares o bjt. Algunas de las características importantes del amplificador diferencial son su alta impedancia de entrada, una ganancia de tensión alta, un valor alto en cuanto al rechazo en modo común. Serán necesarios un par de transistores bipolares npn, en los ejemplos se utilizará el 2N3904, tres resistencias de las cuales luego se verá como calcular sus valores adecuados para utilizarlos dentro de un amplificador diferencial construido mediante elementos discretos, en un inicio se usarán dos fuentes de alimentación, una positiva y la otra negativa, mas adelante se verá como implementar un amplificador diferencial con sólo una fuente de alimentación.

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El circuito utilizado para conocer el amplificador diferencial será el que se muestra en la siguiente imagen, en ella se puede ver la distribución de los dispositivos, así como la de las fuentes de alimentación.

1.-Temas Básicos 2.-El Contactor

Los colectores de los transistores bipolares están conectados a fuente de alimentación positiva VCC a través de las resistencias RC1 y RC2, los emisores están unidos entre si y

 Enlace del Sitio de MrElberni

mediante una resistencia RE están conectados a

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la fuente de alimentación negativa -VEE.

› Electrónica Analógica

La base del transistor T1 se conoce como entrada no inversora, mientras que la base de T2

› Fuente de alimentación › Transformador

se conoce como entrada inversora, si una señal senoidal v1 ingresa por la base de T1 y una señal

› Rectificador

senoidal v2 ingresa por la base de T2 ambas de

› Regulador

la misma frecuencia pero de diferente amplitud, entonces si v1>v2 la tensión de salida vsal estará

› Filtro › Fuente › Transistor bjt

en fase con v1, pero si v1100r’e, entonces a ie le será mas fácil llegar a tierra través de las dos r’e, por lo que para alterna RE será un circuito abierto quedando el equivalente de alterna como se puede ver en la imagen, se cumplirá que la tensión de entrada vent es igual a la tensión de la base con respecto de tierra, lo que siguiendo el trazo en rojo seria vent=ie*r’e+ie*r’e vent=2*ie*r’e la tensión de salida será la tensión del colector con respecto de tierra, esto es vsal=ic*RC2 la ganancia del amplificador diferencial será Av=vsal/vent Av=(ic*RC2)/(2*ie*r’e) pero ie=ic por lo que Av=RC2/(2*r’e) que viene a ser la ganancia de tensión en modo diferencial para un amplificador diferencial con entrada y salida asimétrica. Normalmente en este tipo de circuito RC1=RC2 e incluso en muchos casos RC1 ni se coloca ya que no afecta para nada al circuito si solo se utiliza una salida como es el caso que se ha visto, por lo que a la resistencia del colector se le puede llamar RC, con lo cual la ganancia de tensión sería Av=RC/(2*r’e), por lo que cuando se quiera diseñar un circuito con el amplificador diferencial se buscará que RC sea el adecuado para la ganancia que se quiera, esto se verá como hacerlo mas adelante. Se cumple también que Vent=Zent*ib donde Zent será la impedancia de entrada del amplificador diferencial, luego vent=Zent*ib=2*ie*r’e ademas ie=ic=β*ib se tendrá Zent*ib=2*β*ib*r’e de donde Zent=2*β*r’e impedancia de entrada del amplificador diferencial Como se puede ver la impedancia de entrada del amplificador diferencial es el doble de la impedancia de entrada de un un amplificador de emisor común. Se cumple también vsal=ic*Zsal donde Zsal es la impedancia de salida del amplificador diferencial, pero vsal=ic*RC por lo que Zsal=RC, que será un valor bajo comparado con la impedancia de entrada. Si se utilizan ambas entradas y salidas del amplificador diferencial se puede hacer un análisis similar al realizado al transistor T1 para el transistor T2, luego por el principio de superposición se llegará a lo siguiente La tensión de salida será la diferencia entre vsal=vc2-vc1=Av(vent1-vent2) Para RC1=RC2=RC la ganancia de tensión es Av=RC/r’e la ganancia es el doble que para el caso en que la salida es asimétrica. la impedancia de entrada para cualesquiera de los transistores sera Zent=2*β*r’e Todo lo visto hasta aquí en teoría se cumple, pero como se verá mas adelante al realizar el circuito práctico algunos resultados variarán de los teóricos, eso es normal por la misma constitución de los dispositivos a utilizar como las resistencias y los transistores, pero como se verá los resultados que se obtengan estarán muy próximos a los teóricos y para la parte práctica pueden ser aceptables, pero si se quiere un trabajo perfecto esto hay que tenerlo en cuenta, y es mejor utilizar circuitos integrados, uno de los principales efectos es que los β de los transistores variarán de uno a otro con lo que las corrientes de base de la polarización IB para cada transistor en el circuito serán diferentes, y como las fuentes de señal alterna tienen una resistencia interna, la corriente de base genera una tensión de continua sobre esta resistencia interna, y esta tensión continua generada también resultará amplificada en la tensión de salida, dando como resultado un error en la medida. En el siguiente vídeo se comenta sobre el análisis en alterna del amplificador diferencial.

Amplificador Diferencial 5 Análisis e…

Amplificador diferencial modo común Si por ambas entradas del amplificador diferencial se ingresan señales de alterna de la misma fase, la misma frecuencia y la misma amplitud el resultado teórico sería que la tensión de salida en este caso es cero, en la imagen se puede ver este suceso, las tensiones de las señales son iguales en ambas entradas. Como las tensiones de entrada estarán en fase, ambas ingresaran a la vez positivas o negativas a las entradas, que vienen a ser las bases de los transistores, suponiendo que ambas lleguen positivas, entonces para el transistor T1 se tiene que ib en rojo hará que ie en rojo tenga el sentido que se indica en la figura, mientras que para el transistor T2 su ib en azul hará que ie en azul tenga el sentido que se indica en la figura, y como ambas ib tiene la misma amplitud y frecuencia esto hace que ie en rojo así como ie en azul tengan amplitudes y frecuencias iguales, pero como se ve tendrán sentidos opuestos, dando como resultado que se anulen entre ellas, esto es lo que se conoce como el rechazo al modo común en el cable que une los emisores de los transistores no habrá paso de corriente alterna, por lo cual no habrá cambio en las ic, por lo que las señales comunes a ambas entradas no se amplifican, siendo el valor de la vsal=0. Este fenómeno es muy importante en la utilización del amplificador diferencial, ya que normalmente en el ambiente existe el ruido eléctrico o magnético que afectan a los circuitos, este ruido ingresa al amplificador operacional por ambas entradas a la vez, y al tener las mismas frecuencias y amplitudes y estar en fase, el ruido se anula al salir de los emisores por lo cual no es amplificado amplificandose solo las señales de alterna que se desean. En teoría vsal=0, pero en realidad este valor aunque es muy pequeño no es cero, y esto se debe principalmente a que los β de los transistores no sean iguales por lo que ib no llegan a ser iguales aunque si cercanos. Al obtenerse una tensión de salida diferente de cero en el modo común, se dice que existe una ganancia en modo común la cual se representa como Av(MC) y tiene un valor aproximado de AvMC=RC/(2*RE) Hay una relación que se conoce como el factor de rechazo al modo común simbolizado como CMRR que viene a ser CMRR=Av/AvMC donde Av es la ganancia diferencial encontrada anteriormente Av=RC/(2*r’e) si el amplificador es con entrada asimétrica y salida asimétrica, o Av=RC/r’e si es de entrada y salida diferencial. Como CMRR resulta ser un valor grande se suele utilizar los decibelios para representar el valor del CMRR CMRRdb =20*log(CMRR) En el siguiente vídeo se comenta sobre el modo común del amplificador diferencial

Amplificador Diferencial 6 el modo c…

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