Electrónica Analógica II.

BIOINGENIERIA

Amplificadores Diferenciales

Contenido

Generalidades

Definiciones

Cálculo de Ganancias

Factor de Mérito

Mejoras

Generalidades

El AD discreto es la estructura básica de

muchos circuitos integrados en particular de

A.O.

Es conocido como amplificador de

acoplamiento directo o amplificador de CC.

El nombre de diferencial, es porque amplifica

la diferencia entre dos señales.

Utiliza como elemento activo a transistores

bipolares y FET.

Estructura Básica universal Considerando salida diferencial

(Vo2 -Vo1)

Vo1=Ad (Vi2- Vi1)

Vo2=Ad (Vi1- Vi2)

Siendo Ad la

Ganancia Diferencial

Vo2 -Vo1= 2Ad (Vi1- Vi2)

Considerando salida única Vo=Vo1=Ad (Vi2- Vi1)

La entrada correspondiente Vi1 = V1 será Inversora

y Vi2 = V2 no inversora

Ganancias Diferencial y Ganancia de Modo Común

Hasta ahora se ha supuesto que la salida

depende solo de la tensión diferencial aplicada

a la entrada. Sin embargo en AD real la salida

también depende del umbral de tensión común

a las dos entradas.

La expresión general del valor de la salida

será:

Vo= Amd vemd+ Amc vemc

Siendo Amc: Ganancia de modo común

Amd: Ganancia de modo diferencial

Vemd : Tensión de modo diferencial y vale:

Vemd= V2-V1

Vemc: Tensión de modo común y vale:

Vemc= (V2+V1)/2

Es decir, despejando V1 y V2 de Vemd y Vemc

Se puede expresar :

V2= Vemc+ Vemd/2

V1= Vemc - Vemd/2

Las señales de entrada V1 y V2 se pueden

esquematizar circuitalmente con el siguiente

esquema

Esquema circuital de las señales de entrada

Consideraciones

El AD se diseña para amplificar la diferencia

de las señales de entrada y rechazar las

señales de modo común. Siendo estas

indeseables.

La señal de modo común aparece con igual

magnitud en ambas entrada, es decir está

contenida en ambas entradas.

Ejemplo: Amplificador de ECG

Los electrocardiógrafos deben amplificar señales

diferenciales del orden de 1mV y rechazar señales de

modo común de 50 Hz de varias decenas de volt.

Cálculo de Ganancias. Avmc

Vo= Avmd Vemd + Avmc Vemc

Siendo Vemd=0

Avmc= |Vo/V1|= |Vo/V2|

Aplicamos Modo Común puro V1= V2

Cálculo de Ganancia de Modo Común

En ca

RE

RC

REhfehieib

ibhfeRC

V

VoAvmc

2]2)1([1

Cálculo de Ganancias. Avmd

Aplicamos Modo diferencial puro V1=-V2

Vemc=0

Vemd= V2-V1=-2V1

|12|

||

||

||

V

Vo

Vemd

VoAvmd

Ganancia de Modo Diferencial

hie

hfeRC

ibhie

hfeibRC

V

VoAvmd

2212

En ca

Factor de Mérito

Reemplazando los valores de Avmd y Avmc, resulta

hie

hfeRERRMC

Mejoras en el AD discreto

Impedancia de entrada al modo diferencial

que ve la Vemd, resulta ser:

Z entrada= 2 Zent de cada rama, es decir:

Z entrada= 2hie

Mejoras en la Impedancia de entrada

Es deseable que la Zentr al modo diferencial

sea alta, y se puede mejorar de varias

maneras.

Incorporando resistencias en la base y el

emisor

)]1(1[2 hfeREhieRbZe •Esta mejora de la impedancia trae como consecuencia

una disminución de la ganancia de modo diferencial

•Linealiza la Avmd

)1(2]1)1([2 hfeRERb

hfeRc

REhfehieRb

hfeRcAvmd

Mejora en la impedancia de entrada

Utilizando Transistores Darlington

•Una conexión muy popular de dos transistores de unión

bipolar para operar como un transistor con “superbeta” es

la conexión Darlington.

•La principal característica de la conexión Darlington es

que el transistor compuesto actúa como una unidad

simple con una ganancia de corriente que es el producto

de las ganancias de corriente de los transistores

individuales βD =β2

•Si la conexión se realiza mediante el uso de dos

transistores distintos con ganancias de corriente de β1 y

β2, la conexión Darlington proporcionará una ganancia

de βD =β1. β2

Con Transistores del mismo Tipo

Con Transistores de distinto Tipo

Impedancia de entrada en Darlington

1

1

11

12

211211 2

2525)1( hie

I

mVhfehie

IHFE

mVHFEhfehiehiehfehieZe

cc

hieZentrMD 4

Mejora de la Z entrada

Utilizar Transistores FET

Mejora en la RRMC Para que AD sea de calidad aceptable es

necesario que la RRMC tenga como mínimo un

valor de 1000.

De acuerdo a la ecuación de

parecería que aumentando el valor de RE se logra

aumentar la RRMC. Sin embargo esto no es así,

pues si:

RE ↑, IC ↓ y en consecuencia IB ↓ y hie ↑, no

mejorando la RRMC.

La manera es aumentar la RE sin modificar la

corriente de reposo, por lo cual se utiliza otro

circuito.

hie

hfeRERRMC

Mejora de la RRMC

Un método común para incrementar el valor

en ac de RE es utilizar un circuito de fuente

de corriente constante.

La resistencia vista desde

el emisor es el de la

fuente de corriente.

Análisis de la Resistencia de la FC Análisis en ca con parámetros híbridos

)]()(

1[2

)()1

(2

)(1

2

)(0)()(

REhoe

hfe

RERBhie

RERE

hoeisV

REhoe

hfeibRE

hoeisV

REibishoe

hfeib

hoeisV

RERbhie

isREibREibisRBhieib

Considerando RE>>RB+hie → )1(1

hfehoe

Rs

Consideraciones generales

• Si se utiliza transistores Darlington, se aumenta

considerablemente la Avmd y la RRMC.

•Reemplazando RC por fuentes de corrientes,

también se aumenta la Avmd.

• El diseño de un AD discreto resulta muy complejo

para que sea de buena calidad (desequilibrio entre

características de los transistores, compensación

térmica, etc). Por ese motivo se utiliza las técnicas

de los CI. Donde las características y las

variaciones térmicas son muy similares dado que se

hayan muy próximos y en un mismo sustrato.

Consideraciones generales •Las unidades comercialmente disponibles

también utilizan transistores JFET y MOSFET para

construir este tipo de circuitos.

•Al circuito integrado (CI) que contiene un AD

construido con FET (en las entradas) y transistores

bipolares (Bi)(en la FC), se le conoce como BIFET.

•Un CI construido con transistores, tanto por Bi y

MOSFET se le conoce como BiMOS

•Al circuito construido por medio de transistores

MOSFET de tipo complementario se le denomina

circuito CMOS.

Configuraciones circuitales