Amplificador diferencial circuitos de ejemplo


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Anterior: Amplificador diferencial.

Amplificador diferencial circuito en esta sección se presentarán algunos circuitos de ejemplo para la obtención de  amplificadores diferenciales que puedan ser útiles para la comprensión de estos circuitos.

Amplificador diferencial circuito 1

Se va suponer que se quiere hacer un amplificador y se decide hacerlo mediante un amplificador diferencial, del que se tiene el esquema del circuito que será con entrada y salida asimétrica, se ha elegido el amplificador diferencial porque se dice que rechaza el  ruido y ademas tiene una buena ganancia de tensión, se quiere amplificar por ejemplo una fuente de pequeña señal de 10mV hasta 2V, para ello hace falta conocer las resistencias adecuadas para implementar el circuito así como las fuentes de alimentación a utilizar.

Amplificador diferencial circuito ejemplo

Como se quiere una salida de 2V a partir de 10mV, la ganancia que se busca es

Av=2/(10m) por lo que Av=200 pero como para la ganancia cuando la salida es asimétrica se tiene Av=RC/(2*r’e) por lo que

RC/(2*r’e)=200 de donde

r’e=RC/400 pero ademas se sabe que r’e=(25mV)/(IC) entonces

(25mV)/(IC)=RC/400 de donde se obtiene que

IC*RC=10V esta es la condición que tiene que cumplirse si se quiere una ganancia de 200

como la impedancia de entrada Zent=2*β*r’e depende de r’e y esta a su vez de IC, habrá que elegir IC de tal forma que r’e no se reduzca demasiado como para reducir Zent

En este caso para no complicar los cálculos se elegirá IC=1mA aunque se puede elegir algún otro valor, de preferencia menor.

Al elegir IC=1mA de la condición de ganancia se tendrá que

r’e=25Ω

RC=10K 

En la ecuación de recta de carga cuando la salida es asimétrica VCE=VCC+0,7-IC*RC al reemplazar IC*RC=10 se obtiene que

VCE=VCC+0,7-10 de aquí VCE=VCC-9,3 si quiere polarizar el amplificador diferencial en el punto medio de la recta de carga en continua entonces se tendrá que Amplificador diferencial recta de carga ejemplohacer VCE=(VCC+0,7)/2 al reemplazar esto se tendrá

(VCC+0,7)/2=VCC-9,3 de donde

VCC=19,3V que vendría a ser el valor de la fuente de alimentación al ubicar el punto de operación del transistor en el punto medio de la recta de carga, con lo cual VCE=10V,

con estos valores se puede obtener

RE=(VCC-0,7)/Icola

RE=(VCC-0,7)*2*IE=(19,3-0,7)/(2*1)

de donde

RE=9,3K

Al utilizar estos valores en un programa de simulación como el ORCAD se puede ver que el resultado está muy cercano a la ganancia buscada

pero no es necesario ubicar  el punto de operación del transistor en el punto medio, si se hace que VCEQ ejemplo que VCEQ=2,7V ya sería suficiente para lograr la amplificaciónAmplificador diferencial circuito ejemplo final que se busca, ya que la señal amplificada necesita que como mínimo VCE sea de 2V y con 2,7V ya tiene suficiente, luego en la ecuación de recta de carga

VCE=VCC+0,7-IC*RC se tendrá

2,7=VCC+0,7-10 de donde se obtendrá el valor de VCC con el cual ya se puede obtener la amplificación buscada sin distorsiones por corte o saturación, siendo este valor

VCC=12V con el que puede calcular RE para este voltaje

RE=(VCC-0,7)/Icola

RE=(VCC-0,7)*2*IE

RE=(12-0,7)/(2*1)

de donde

RE=5,6K resultando el circuito que se muestra en la figura para amplificar una señal de 10mV a 2V con un amplificador diferencial con entrada y salida asimétrica.

Para calcular el valor de la impedancia de entrada, dependerá del transistor utilizado, en el  circuito de prueba se usan el 2N3904, ya que tiene un β grande según su hoja de datos, para la práctica al medir el β para uno de los transistores se obtuvo β=210 y para el otro β=205, se usará el valor de 205, con lo que Zent=2*β*r’e por lo que

Zent=2*205*25 de donde

Zent=10,25K el circuito montado es el que se puede ver en la imagen siguiente, en la resistencia de cola se usará 2 resistencias en serie, una de 4,7K y una de 1K con lo que RE=5,7K.

Amplificador diferencial circuito

Es de mencionar que los resultados que se midan variarán un poco de los resultados teóricos por los motivos comentados anteriormente.

Para conocer el factor de rechazo en modo común CMRR de este circuito hay que calcular primero la ganancia en modo común

AvMC=RC/(2*RE)

AvMC=10K/(2*5,7K) de donde

AvMC=0,87 luego como el CMRR=Av/AvMC

CMRR=200/0,87 lo que da como resultado

CMRR=230 este valor cuando mayor sea mejor, ya que indica que tan bueno es el amplificador diferencial para rechazar el ruido

en decibelios se tendrá

CMRRdb=20*log(CMRR)

CMRRdb=20*log(230) por lo que

CMRRdb=47

En los siguientes vídeos puedes ver el proceso que se sigue para la obtención de este circuito y las pruebas realizadas.

Amplificador diferencial circuito 1 parte 1

Amplificador diferencial circuito 1 parte 2

Amplificador diferencial circuito 2

Para el caso del amplificador diferencial circuito 2 se va a suponer que se cuenta con las fuentes de alimentación, las cuales serán para VCC=9V y VEE=-9V, además de conocer que el circuito será con una entrada y una salida asimétrica,Amplificador diferencial circuito 2 tal como se puede ver en la figura, hay determinar cual es la ganancia que se puede obtener, luego armar el circuito y probarlo.

De la ecuación de recta de carga cuando la salida es asimétrica VCE=VCC+0,7-IC*RC al reemplazar VCC=9V se obtiene

VCE=9+0,7-IC*RC de donde VCEcorte=9,7V

Se puede escoger el punto de operación para diferentes valores de VCEQ, por ejemplo podría ser par VCEQ=VCEcorte/2 para que esté ubicado en el punto medio de la recta de carga, en este caso se elegirá por ejemplo VCEQ=4,7V que está cercano al punto medio, esto con el fin de evitar trabajar con decimales, pero además cuando a través  del circuito se amplifique alguna señal, esta podrá tener valores cercanos a los 4,7V sin sufrir distorciones, luego para este punto de operación se tendrá

4,7=9,7-IC*RC de donde, para este circuito con este punto de operación se cumplirá

IC*RC=5V

ademas para un amplificador diferencia con salida asimétrica se tiene que la ganancia

Av=RC/(2*r’e) pero r’e=25mV/IC luego

Av=RC/(2*(25mV/IC)) de donde

Av=(IC*RC)/(50mV) pero IC*RC=5V entonces Av=5/(50m) por lo que

Av=100

lo que quiere decir que sin en este circuito el punto de operación se ubica en VCEQ=4,7 se tendrá una ganancia de 100, es decir si en la entrada se tiene por ejemplo 10mV en la salida se obtendrá 1V, se pueden amplificar señales hasta valores cercanos a 4,7V si se pasa de ese valor la señal amplificada se distorsionará, por ejemplo si  en la entrada se tiene 40mV en la salida se obtendrá en teoría 4V ya que esta se amplificará 100 veces.

De la condición IC*RC=5V se puede elegir una IC de tal forma que no se haga muy grande para no reducir demasiado la impedancia de entrada

Zent=2*β*r’e=2*β*(25mV/IC)

para  el ejemplo se elegirá ICQ=1mA para facilitar los cálculos, luego se tendrá que RC=5K

Como VCC=9V se puede calcular RE para este voltaje ya que Icola=2*ICQ=2*1mA

RE=(VCC-0,7)/IcolaAmplificador diferencial circuito 2a

RE=(VCC-0,7)*2*IE

RE=(9-0,7)/(2*1)

de donde

RE=4,2K 

resultando el circuito que se muestra en la figura con el cual se pueden amplificar señales en 100 veces, mientras la amplificación no se pase de los 4,7V la señal amplificada no se distorsionará.

Es de mencionar que los resultados que se midan variarán un poco de los resultados teóricos por los motivos comentados anteriormente.

Para conocer el factor de rechazo en modo común CMRR de este circuito hay que calcular primero la ganancia en modo común

AvMC=RC/(2*RE)

AvMC=5K/(2*4,2K) de donde

AvMC=0,6 luego como el CMRR=Av/AvMC

CMRR=100/0,6 lo que da como resultado

CMRR=167 este valor cuando mayor sea mejor, ya que indica que tan bueno es el amplificador diferencial para rechazar el ruido

en decibelios se tendrá

CMRRdb=20*log(CMRR)

CMRRdb=20*log(167) por lo que

CMRRdb=44,5

En el siguiente vídeo puedes ver el proceso que se sigue para la obtención del circuito y las pruebas realizadas.

Amplificador diferencial circuito 2

Amplificador diferencial circuito 3

Para el caso del amplificador diferencial circuito 3

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