Un 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. [1] Es un circuito analógico con dos entradas y una salida , en el que la salida es idealmente proporcional a la diferencia entre los dos voltajes:
¿Dónde está la ganancia del amplificador?
Los amplificadores individuales suelen implementarse añadiendo 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.
donde y son los voltajes de entrada, y es la ganancia diferencial.
En la práctica, sin embargo, la ganancia no es exactamente igual para las dos entradas. Esto significa, por ejemplo, que si y son iguales, la salida no será cero, como sería en el caso ideal. Una expresión más realista para la salida de un amplificador diferencial incluye un segundo término:
donde se llama ganancia de modo común del amplificador.
Como los amplificadores diferenciales se utilizan a menudo para anular el ruido o los voltajes de polarización que aparecen en ambas entradas, generalmente se desea una ganancia de modo común baja.
La relación de rechazo de modo común (CMRR), que suele definirse 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 de modo común se define como
En un amplificador diferencial perfectamente simétrico, es cero y la CMRR es infinita. Nótese que un amplificador diferencial es una forma más general de amplificador que uno con una sola entrada; al conectar a tierra una entrada de un amplificador diferencial, se obtiene un amplificador de un solo extremo.
Los amplificadores diferenciales modernos suelen implementarse con un circuito básico de dos transistores llamado par de “cola larga” o par diferencial . Este circuito se implementó originalmente utilizando 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 conocimientos previos de técnicas de circuitos push-pull y puentes de medición. [2] Un circuito temprano que se parece mucho a un par de cola larga fue publicado por el neurofisiólogo británico Bryan Matthews en 1934, [3] y parece probable que este estuviera destinado a ser un par de cola larga verdadero, 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. [4] A fines de la década de 1930, la topología estaba bien establecida y había sido descrita por varios autores, incluidos Frank Offner (1937), [5] Otto Schmitt (1937) [6] y Jan Friedrich Toennies (1938), [7] y se usó particularmente para la detección y medición de impulsos fisiológicos. [8]
El par de cola larga se utilizó con mucho éxito en la informática británica temprana, más notablemente en el modelo Pilot ACE y sus descendientes, [nb 1] EDSAC de Maurice Wilkes , y probablemente otros diseñados por personas que trabajaron con Blumlein o sus pares. El par de cola larga tiene muchos atributos favorables si se usa como un interruptor: en gran parte inmune a las variaciones de tubo (transistor) (de gran importancia cuando las máquinas contenían 1000 tubos o más), alta ganancia, estabilidad de ganancia, alta impedancia de entrada, impedancia de salida media/baja, buen recortador (con una cola no demasiado larga), no inversor (¡ EDSAC no contenía inversores! ) y grandes oscilaciones de voltaje de salida. Una desventaja es que la oscilación de voltaje de salida (típicamente ±10–20 V) se impuso sobre un alto voltaje de CC (200 V aproximadamente), lo que requiere cuidado en el acoplamiento de señal, generalmente alguna forma de acoplamiento de CC de banda ancha. Muchas computadoras de esta época intentaron evitar este problema utilizando solo lógica de pulsos acoplados a CA, lo que las hacía muy grandes y excesivamente 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 tubos de vacío.
Un amplificador de par diferencial (de cola larga, [nb 2] acoplado al emisor) consta de dos etapas de amplificación con degeneración común ( emisor , fuente o cátodo ).
Con dos entradas y dos salidas, se forma una etapa amplificadora diferencial (Figura 2). Las dos bases (o rejillas o compuertas) son entradas que se amplifican diferencialmente (se restan y multiplican) mediante el par de transistores; se pueden alimentar con una señal de entrada diferencial (balanceada), o una de las entradas se puede conectar a tierra para formar un circuito divisor de fase . Un amplificador con salida diferencial puede accionar una carga flotante u otra etapa con entrada diferencial.
Si no se desea la salida diferencial, entonces solo se puede utilizar una salida (tomada de solo uno de los colectores (o ánodos o drenajes), sin tener en cuenta la otra salida; esta configuración se conoce como salida de un solo extremo . La ganancia es la mitad de la de la etapa con salida diferencial. Para evitar sacrificar la ganancia, se puede utilizar un convertidor diferencial a un solo extremo. Esto a menudo se implementa como un espejo de corriente (Figura 3, a continuación).
El par diferencial se puede utilizar 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 (normalmente, el otro colector se utiliza como una salida de un solo extremo). Esta disposición se puede considerar como etapas de colector común y base común en cascada o como una etapa de base común amortiguada. [nb 3]
El amplificador acoplado al emisor compensa las derivas de temperatura, anula VBE y evita el efecto Miller y la saturación del transistor. Por eso se utiliza para formar amplificadores acoplados al emisor (evitando el efecto Miller), circuitos divisores de fase (obteniendo dos tensiones inversas), compuertas y conmutadores ECL (evitando la saturación del transistor), etc.
Para explicar el funcionamiento del circuito se aíslan a continuación cuatro modos particulares aunque, en la práctica, algunos de ellos actúan simultáneamente y sus efectos se superponen.
A diferencia de 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. [nb 4] Entonces, debido a la retroalimentación negativa, la corriente de reposo depende solo ligeramente del β del transistor.
Las corrientes de polarización de base necesarias para generar las corrientes de colector en reposo suelen provenir de tierra, pasar por las fuentes de entrada y entrar en las bases. Por lo tanto, las fuentes deben ser galvánicas (CC) para garantizar rutas para la corriente de polarización y lo suficientemente bajas como para no crear caídas de tensión significativas a través de ellas. De lo contrario, se deben conectar elementos de CC adicionales entre las bases y tierra (o la fuente de alimentación positiva).
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 de emisor de alta resistencia (la "cola larga"). Todos juntos aumentan o disminuyen el voltaje del punto emisor común (hablando en sentido figurado, juntos lo "suben" o "bajan" para que se mueva). Además, la carga dinámica los "ayuda" al cambiar su resistencia óhmica instantánea en la misma dirección que los voltajes de entrada (aumenta cuando el voltaje aumenta y viceversa), manteniendo así constante la resistencia total entre los dos rieles de alimentación. Hay una retroalimentación negativa total (100%); los dos voltajes de 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.
Normal. En el modo diferencial (los dos voltajes de entrada cambian en direcciones opuestas), los dos seguidores de voltaje (emisor) se oponen entre sí: mientras uno de ellos intenta aumentar el voltaje del punto emisor común, el otro intenta disminuirlo (hablando en sentido figurado, uno de ellos "sube" el punto común mientras que el otro lo "baja" para que permanezca inamovible) y viceversa. Por lo tanto, el punto común no cambia su voltaje; se comporta como una tierra virtual con una magnitud determinada por los voltajes de entrada en modo común. El elemento emisor de alta resistencia no desempeña ningún papel: es derivado por el otro seguidor de 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 conectan a tierra mutuamente sus emisores; Por lo tanto, aunque son etapas de colector común , en realidad actúan como etapas de emisor común con máxima ganancia. La estabilidad de polarización y la independencia de las variaciones en los parámetros del dispositivo se pueden mejorar mediante retroalimentación negativa introducida a través de resistencias de cátodo/emisor con resistencias relativamente pequeñas.
Sobreexcitación. 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 alimentación positivo. Con una sobreexcitación alta, 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 sobreexcitación moderada, el emisor aún puede seguir la señal de entrada sin saturarse. Este modo se utiliza en interruptores diferenciales y compuertas ECL .
Avería. Si el voltaje de entrada continúa aumentando y excede el voltaje de ruptura base-emisor , la unión base-emisor del transistor accionado por el voltaje de entrada más bajo se rompe. Si las fuentes de entrada tienen baja resistencia, una corriente ilimitada fluirá directamente a través del "puente de diodos" entre las dos fuentes de entrada y las dañará.
En el modo común, el voltaje del emisor sigue las variaciones del voltaje de entrada; hay una retroalimentación negativa total y la ganancia es mínima. En el modo diferencial, el voltaje del emisor es fijo (igual al voltaje de entrada común instantáneo); no hay retroalimentación negativa y la ganancia es máxima.
Las resistencias del colector se pueden sustituir por un espejo de corriente (la sección azul superior en la Fig. 3), cuya parte de salida actúa como una carga activa . De este modo, la señal de corriente diferencial del colector se convierte en una señal de tensión de un solo extremo sin las pérdidas intrínsecas del 50%, por lo que la ganancia se duplica. Esto se consigue 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 positivos y negativos). 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 (Δ I − (−Δ I ) = 2Δ I ), y la conversión diferencial a unipolar se completa sin pérdidas de ganancia. La figura 4 muestra la característica de transmisión de este circuito.
La corriente de reposo debe ser constante para garantizar voltajes de colector constantes en modo común. Este requisito no es tan importante en el caso de una salida diferencial, ya que, aunque sus dos voltajes de colector variarán simultáneamente, su diferencia (el voltaje de salida) no variará. Pero en el caso de una salida de un solo extremo, es extremadamente importante mantener una corriente constante ya que el voltaje de colector de salida variará. Por lo tanto, cuanto mayor sea la resistencia de la fuente de corriente en el circuito original de la figura 2, menor (mejor) será la ganancia en modo común .
La corriente constante necesaria se puede generar conectando un elemento (resistencia) con una resistencia muy alta entre el nodo emisor compartido y el riel de alimentación (negativo para transistores NPN y positivo para transistores PNP), pero eso requiere una tensión de alimentación alta. Por lo tanto, en diseños más sofisticados, se sustituye la “cola larga” por un elemento con una resistencia diferencial (dinámica) alta que se aproxime a una fuente/sumidero de corriente constante (la parte inferior de la figura 3). Por lo general, se implementa mediante un espejo de corriente debido a su alta tensión de cumplimiento (pequeña caída de tensión a través del transistor de salida).
Es posible conectar una fuente flotante entre las dos bases, pero es necesario asegurar caminos para las corrientes de polarización de las bases. En el caso de una fuente galvánica, solo se debe conectar una resistencia entre una de las bases y la 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 asegurar caminos diferentes para las corrientes de base.
La impedancia de entrada del par diferencial depende en gran medida del modo de entrada. En el 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 el modo diferencial, se comportan como etapas de emisor común con emisores conectados 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).
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.
Un amplificador operacional , o amplificador operacional, es un amplificador diferencial con una ganancia en modo diferencial muy alta, una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja. Un amplificador diferencial de amplificador operacional se puede construir con una ganancia predecible y estable aplicando retroalimentación negativa (Figura 5). [nb 5] Algunos tipos de amplificadores diferenciales suelen incluir varios amplificadores diferenciales más simples. Por ejemplo, un amplificador totalmente diferencial , un amplificador de instrumentación o un amplificador de aislamiento a menudo se construyen a partir de una combinación de varios amplificadores operacionales.
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, la otra para la señal de retroalimentación (generalmente implementada por amplificadores operacionales ). A modo de comparación, los antiguos amplificadores operacionales inversores de un solo extremo de principios de la década de 1940 solo podían lograr retroalimentación negativa en paralelo conectando redes de resistencias 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, una disposición común para implementar un amplificador diferencial es el par de cola larga, que también se encuentra generalmente como elemento diferencial en la mayoría de los circuitos integrados de amplificadores operacionales . Un par de cola larga se puede utilizar como un multiplicador analógico con el voltaje diferencial como una entrada y la corriente de polarización como otra.
Se utiliza un amplificador diferencial como etapa de entrada de puertas lógicas acopladas al emisor y como interruptor. Cuando se utiliza como interruptor, la base/rejilla "izquierda" se utiliza como entrada de señal y la base/rejilla "derecha" se conecta a tierra; la salida se toma del colector/placa derecha. Cuando la entrada es cero o negativa, la salida es cercana a cero (pero no puede estar saturada); cuando la entrada es positiva, la salida es más positiva, siendo el funcionamiento dinámico el mismo que el uso del amplificador descrito anteriormente.
El amplificador diferencial se utiliza en el oscilador seguidor de cátodo . Las ventajas son la alta impedancia de la entrada y la salida del amplificador diferencial y el pequeño desfase entre la entrada y la salida. Esta aplicación utiliza solo una entrada y una salida del amplificador diferencial.
En caso de que la corriente de polarización de entrada (no ideal) o la impedancia de entrada diferencial del amplificador operacional sean un efecto significativo, se puede seleccionar una red de retroalimentación que mejore el efecto de la señal de entrada y la polarización en modo común. En la Figura 6, los generadores de corriente modelan la corriente de polarización de entrada en cada terminal; I + b e I − b representan la corriente de polarización de entrada en los terminales V + y V − respectivamente.
El equivalente de Thévenin para la red que acciona el terminal V + tiene una tensión V + ' y una impedancia R + ':
Mientras que para la red que controla la terminal V − :
La salida del amplificador operacional es simplemente la ganancia de lazo abierto A ol multiplicada por la corriente de entrada diferencial i multiplicada por la impedancia de entrada diferencial 2 R d , por lo tanto
donde R || es el promedio de R + || y R − || .
Estas ecuaciones sufren una gran simplificación si
resultando en la relación
lo que implica que la ganancia de bucle cerrado para la señal diferencial es V + en − V − en , pero la ganancia de modo común es idénticamente cero.
Esto también implica que la corriente de polarización de entrada de modo común se ha cancelado, dejando solo la corriente de compensación de entrada I Δ b = I + b − I − b aún 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 la fuente de la red de retroalimentación en los terminales de entrada.
Finalmente, siempre que la ganancia de voltaje de lazo abierto A ol sea mucho mayor que la unidad, la ganancia de voltaje de lazo cerrado será R f / R i , el valor que se obtendría a través del análisis empírico conocido como "tierra virtual". [nb 6]
![{\displaystyle V_{\text{en}}^{+}-V_{\text{en}}^{-}-R_{\text{i}}I_{\text{b}}^{\Delta }=V_{\text{salida}}\left[{\frac {R_{\text{i}}}{R_{\text{f}}}}+{\frac {1}{A_{\text{ol}}{\frac {R_{\text{i}}}{R_{\text{i}}\paralelo R_{\text{f}}\paralelo R_{\text{d}}}}}\right],}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/898f4d56ac076d04fe6954494c03580f27d3bc2d)