Amplificador diferencial - Differential amplifier

Símbolo do amplificador operacional. As entradas inversoras e não inversoras são diferenciadas por "-" e "+" colocados no triângulo do amplificador. V _{s +} e V _s− são as tensões da fonte de alimentação; eles são freqüentemente omitidos do diagrama para simplificar, mas devem estar presentes no circuito real.

Um amplificador diferencial é um tipo de amplificador eletrônico que amplifica a diferença entre duas tensões de entrada, mas suprime qualquer tensão comum às duas entradas. É um circuito analógico com duas entradas e uma saída , em que a saída é idealmente proporcional à diferença entre as duas tensões: ${\ displaystyle V _ {\ text {in}} ^ {-}}$${\ displaystyle V _ {\ text {in}} ^ {+}}$${\ displaystyle V _ {\ text {out}}}$

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = A (V _ {\ text {in}} ^ {+} - V _ {\ text {in}} ^ {-}),}$

onde está o ganho do amplificador. ${\ displaystyle A}$

Amplificadores simples são geralmente implementados adicionando-se os resistores de feedback apropriados a um amplificador operacional padrão ou com um circuito integrado dedicado contendo resistores de feedback internos. É também um subcomponente comum de circuitos integrados maiores que tratam de sinais analógicos.

Teoria

A saída de um amplificador diferencial ideal é dada por

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = A _ {\ text {d}} (V _ {\ text {in}} ^ {+} - V _ {\ text {in}} ^ {-}),}$

onde e são as tensões de entrada e é o ganho diferencial. ${\ displaystyle V _ {\ text {in}} ^ {+}}$${\ displaystyle V _ {\ text {in}} ^ {-}}$${\ displaystyle A _ {\ text {d}}}$

Na prática, entretanto, o ganho não é exatamente igual para as duas entradas. Isso significa, por exemplo, que se e forem iguais, a saída não será zero, como seria no caso ideal. Uma expressão mais realista para a saída de um amplificador diferencial, portanto, inclui um segundo termo: ${\ displaystyle V _ {\ text {in}} ^ {+}}$${\ displaystyle V _ {\ text {in}} ^ {-}}$

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = A _ {\ text {d}} (V _ {\ text {in}} ^ {+} - V _ {\ text {in}} ^ {-}) + A_ { \ text {c}} {\ frac {V _ {\ text {in}} ^ {+} + V _ {\ text {in}} ^ {-}} {2}},}$

onde é chamado de ganho de modo comum do amplificador. ${\ displaystyle A _ {\ text {c}}}$

Como os amplificadores diferenciais são freqüentemente usados ​​para anular o ruído ou as tensões de polarização que aparecem em ambas as entradas, um ganho de modo comum baixo geralmente é desejado.

A taxa de rejeição de modo comum (CMRR), geralmente definida como a razão entre o ganho de modo diferencial e o ganho de modo comum, indica a capacidade do amplificador de cancelar com precisão as tensões que são comuns a ambas as entradas. A taxa de rejeição de modo comum é definida como

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

Em um amplificador diferencial perfeitamente simétrico, é zero e o CMRR é infinito. Observe que um amplificador diferencial é uma forma mais geral de amplificador do que um com uma única entrada; aterrando uma entrada de um amplificador diferencial, o resultado é um amplificador de terminação única. ${\ displaystyle A _ {\ text {c}}}$

Par de cauda longa

Contexto histórico

Os amplificadores diferenciais modernos são geralmente implementados com um circuito básico de dois transistores denominado par de “cauda longa” ou par diferencial . Este circuito foi implementado originalmente usando um par de tubos de vácuo . O circuito funciona da mesma maneira para todos os dispositivos de três terminais com ganho de corrente. Os pontos de polarização do circuito do resistor de “cauda longa” são amplamente determinados pela lei de Ohm e menos pelas características do componente ativo.

O par de cauda longa foi desenvolvido a partir do conhecimento anterior de técnicas de circuito push-pull e pontes de medição. Um circuito inicial que se assemelha muito a um par de cauda longa foi publicado pelo neurologista britânico Bryan Matthews em 1934, e parece provável que se tratasse de um verdadeiro par de cauda longa, mas foi publicado com um erro de desenho. O primeiro circuito de par de cauda longa definido aparece em uma patente submetida por Alan Blumlein em 1936. No final da década de 1930, a topologia estava bem estabelecida e havia sido descrita por vários autores, incluindo Frank Offner (1937), Otto Schmitt (1937) e Jan Friedrich Toennies (1938), e foi particularmente usado para detecção e medição de impulsos fisiológicos.

O par de cauda longa foi usado com muito sucesso na computação britânica inicial, mais notavelmente o modelo Pilot ACE e seus descendentes, EDSAC de Maurice Wilkes , e provavelmente outros projetados por pessoas que trabalharam com Blumlein ou seus colegas. O par de cauda longa tem muitos atributos favoráveis ​​se usado como uma chave: amplamente imune a variações de válvula (transistor) (de grande importância quando as máquinas continham 1.000 válvulas ou mais), alto ganho, estabilidade de ganho, alta impedância de entrada, saída média / baixa impedância, bom clipper (com uma cauda não muito longa), não-inversão ( EDSAC não continha inversores! ) e grandes oscilações de tensão de saída. Uma desvantagem é que a oscilação da tensão de saída (normalmente ± 10–20 V) foi imposta sobre uma alta tensão CC (200 V ou mais), exigindo cuidado no acoplamento do sinal, geralmente alguma forma de acoplamento CC de banda larga. Muitos computadores dessa época tentaram evitar esse problema usando apenas lógica de pulso acoplado a CA, o que os tornava muito grandes e excessivamente complexos ( ENIAC : 18.000 tubos para uma calculadora de 20 dígitos) ou não confiáveis. Os circuitos acoplados a CC tornaram-se a norma após a primeira geração de computadores de tubo a vácuo.

Configurações

Um amplificador de par diferencial (de cauda longa, acoplado a emissor) consiste em dois estágios de amplificação com degeneração comum ( emissor , fonte ou cátodo ).

Saída diferencial

Figura 2: um par clássico de cauda longa

Com duas entradas e duas saídas, forma um estágio amplificador diferencial (Figura 2). As duas bases (ou grades ou portas) são entradas que são diferencialmente amplificadas (subtraídas e multiplicadas) pelo par de transistores; eles podem ser alimentados com um sinal de entrada diferencial (balanceado) ou uma entrada pode ser aterrada para formar um circuito divisor de fase . Um amplificador com saída diferencial pode acionar uma carga flutuante ou outro estágio com entrada diferencial.

Saída de terminação única

Se a saída diferencial não for desejada, então apenas uma saída pode ser usada (tirada de apenas um dos coletores (ou ânodos ou drenos), desconsiderando a outra saída; esta configuração é referida como saída single-ended . O ganho é a metade aquele do estágio com saída diferencial. Para evitar sacrificar o ganho, um conversor diferencial para single-ended pode ser utilizado. Isso é frequentemente implementado como um espelho de corrente ( Figura 3, abaixo ).

Entrada de terminação única

O par diferencial pode ser usado como um amplificador com uma entrada de terminação única se uma das entradas for aterrada ou fixada em uma tensão de referência (geralmente, o outro coletor é usado como uma saída de terminação única). Este arranjo pode ser considerado como estágios de coletor comum em cascata e de base comum ou como um estágio de base comum em buffer.

O amplificador acoplado ao emissor é compensado pelas variações de temperatura, o V _BE é cancelado e o efeito Miller e a saturação do transistor são evitados. É por isso que é usado para formar amplificadores acoplados a emissor (evitando o efeito Miller), circuitos divisores de fase (obtendo duas tensões inversas), portas e interruptores ECL (evitando a saturação do transistor), etc.

Operação

Para explicar o funcionamento do circuito, quatro modos particulares são isolados abaixo, embora, na prática, alguns deles atuem simultaneamente e seus efeitos sejam sobrepostos.

Polarização

Em contraste com os estágios de amplificação clássicos que são polarizados do lado da base (e, portanto, são altamente β-dependentes), o par diferencial é diretamente polarizado do lado dos emissores afundando / injetando a corrente quiescente total. O feedback negativo em série (a degeneração do emissor) faz com que os transistores atuem como estabilizadores de tensão; ele os força a ajustar suas tensões V _BE (correntes de base) para passar a corrente quiescente através de suas junções coletor-emissor. Portanto, devido ao feedback negativo, a corrente quiescente depende apenas ligeiramente do β do transistor.

As correntes de base de polarização necessárias para evocar as correntes de coletor quiescentes geralmente vêm do solo, passam pelas fontes de entrada e entram nas bases. Portanto, as fontes devem ser galvânicas (CC) para garantir caminhos para a corrente de polarização e suficientemente resistentes para não criar quedas de tensão significativas entre elas. Caso contrário, elementos CC adicionais devem ser conectados entre as bases e o aterramento (ou a fonte de alimentação positiva).

Modo comum

No modo comum (as duas tensões de entrada mudam nas mesmas direções), os dois seguidores de tensão (emissor) cooperam um com o outro trabalhando juntos na carga comum do emissor de alta resistência (a "cauda longa"). Todos juntos aumentam ou diminuem a voltagem do ponto emissor comum (figurativamente falando, eles juntos "puxam para cima" ou "puxam para baixo" para que ele se mova). Além disso, a carga dinâmica "ajuda" alterando sua resistência ôhmica instantânea na mesma direção das tensões de entrada (aumenta quando a tensão aumenta e vice-versa), mantendo assim a resistência total constante entre os dois trilhos de alimentação. Há um feedback negativo total (100%); as duas tensões de base de entrada e a tensão do emissor mudam simultaneamente, enquanto as correntes do coletor e a corrente total não mudam. Como resultado, as tensões do coletor de saída também não mudam.

Modo diferencial

Normal. No modo diferencial (as duas voltagens de entrada mudam em direções opostas), os dois seguidores de voltagem (emissor) se opõem - enquanto um deles tenta aumentar a voltagem do ponto emissor comum, o outro tenta diminuí-la (falando figurativamente, um deles "puxa para cima" o ponto comum enquanto o outro o "puxa para baixo" de forma que fique imóvel) e vice-versa. Portanto, o ponto comum não muda sua tensão; ele se comporta como um aterramento virtual com uma magnitude determinada pelas tensões de entrada do modo comum. O elemento emissor de alta resistência não desempenha nenhuma função - ele é desviado pelo outro emissor seguidor de baixa resistência. Não há feedback negativo, uma vez que a tensão do emissor não muda quando as tensões de base de entrada mudam. A corrente quiescente comum dirige vigorosamente entre os dois transistores e as tensões do coletor de saída mudam vigorosamente. Os dois transistores aterram mutuamente seus emissores; portanto, embora sejam estágios de coletor comum , na verdade atuam como estágios de emissor comum com ganho máximo. A estabilidade de polarização e a independência de variações nos parâmetros do dispositivo podem ser melhoradas por feedback negativo introduzido por meio de resistores catodo / emissor com resistências relativamente pequenas.

Overdriven. Se a tensão diferencial de entrada mudar significativamente (mais do que cerca de cem milivolts), o transistor acionado pela tensão de entrada mais baixa desliga e sua tensão de coletor atinge o trilho de alimentação positivo. Em overdrive alto, a junção base-emissor é invertida. O outro transistor (impulsionado pela tensão de entrada mais alta) comanda toda a corrente. Se o resistor no coletor for relativamente grande, o transistor saturará. Com resistor de coletor relativamente pequeno e overdrive moderado, o emissor ainda pode seguir o sinal de entrada sem saturação. Este modo é usado em chaves diferenciais e portas ECL .

Discriminação. Se a tensão de entrada continua aumentando e excede a tensão de ruptura base-emissor, a junção base-emissor do transistor acionada pela menor voltagem de entrada quebra. Se as fontes de entrada forem de baixa resistência, uma corrente ilimitada fluirá diretamente pela "ponte de diodo" entre as duas fontes de entrada e as danificará.

No modo comum, a tensão do emissor segue as variações da tensão de entrada; há um feedback negativo completo e o ganho é mínimo. No modo diferencial, a tensão do emissor é fixa (igual à tensão de entrada comum instantânea); não há feedback negativo e o ganho é máximo.

Melhorias de amplificador diferencial

Fonte de corrente constante do emissor

Figura 3: Um par de cauda longa aprimorado com carga de espelho de corrente e polarização de corrente constante

A corrente quiescente deve ser constante para garantir tensões constantes do coletor no modo comum. Este requisito não é tão importante no caso de uma saída diferencial, uma vez que as duas tensões do coletor irão variar simultaneamente, mas sua diferença (a tensão de saída) não irá variar. Mas, no caso de uma saída de terminação única, é extremamente importante manter uma corrente constante, pois a tensão do coletor de saída irá variar. Portanto, quanto maior a resistência da fonte de corrente , menor (melhor) é o ganho de modo comum . A corrente constante necessária pode ser produzida conectando um elemento (resistor) com resistência muito alta entre o nó emissor compartilhado e o trilho de alimentação (negativo para NPN e positivo para transistores PNP), mas isso exigirá alta tensão de alimentação. É por isso que, em projetos mais sofisticados, um elemento com alta resistência diferencial (dinâmica) aproximando-se de uma fonte / dissipador de corrente constante é substituído pela “cauda longa” (Figura 3). Geralmente é implementado por um espelho de corrente por causa de sua alta tensão de conformidade (pequena queda de tensão no transistor de saída). ${\ displaystyle R _ {\ text {e}}}$${\ displaystyle A _ {\ text {c}}}$

Espelho de coletor atual

Os resistores do coletor podem ser substituídos por um espelho de corrente, cuja parte de saída atua como uma carga ativa (Fig. 3). Assim, o sinal de corrente de coletor diferencial é convertido em um sinal de tensão de terminação única sem as perdas intrínsecas de 50%, e o ganho é bastante aumentado. Isso é obtido copiando a corrente do coletor de entrada da esquerda para a direita, onde as magnitudes dos dois sinais de entrada se somam. Para isso, a entrada do espelho de corrente é conectada à saída esquerda, e a saída do espelho de corrente é conectada à saída direita do amplificador diferencial.

Figura 4: Característica de transmissão

O espelho atual copia a corrente do coletor esquerdo e a passa pelo transistor direito que produz a corrente do coletor direito. Nesta saída direita do amplificador diferencial, as duas correntes de sinal (mudanças de corrente positiva e negativa) são subtraídas. Neste caso (sinal de entrada diferencial), eles são iguais e opostos. Assim, a diferença é duas vezes as correntes de sinal individuais (Δ I  - (−Δ I ) = 2Δ I ), e o diferencial para a conversão de terminação única é concluída sem perdas de ganho. A Fig. 4 mostra a característica de transmissão deste circuito.

Considerações de interface

Fonte de entrada flutuante

É possível conectar uma fonte flutuante entre as duas bases, mas é necessário garantir caminhos para as correntes de base de polarização. No caso de fonte galvânica, apenas um resistor deve ser conectado entre uma das bases e o terra. A corrente de polarização entrará diretamente nesta base e indiretamente (através da fonte de entrada) na outra. Se a fonte for capacitiva, dois resistores devem ser conectados entre as duas bases e o terra para garantir caminhos diferentes para as correntes de base.

Impedância de entrada / saída

A impedância de entrada do par diferencial depende muito do modo de entrada. No modo comum, as duas partes se comportam como estágios de coletor comum com altas cargas de emissor; portanto, as impedâncias de entrada são extremamente altas. No modo diferencial, eles se comportam como estágios de emissor comum com emissores aterrados; portanto, as impedâncias de entrada são baixas.

A impedância de saída do par diferencial é alta (especialmente para o par diferencial aprimorado com um espelho de corrente, conforme mostrado na Figura 3 ).

Faixa de entrada / saída

A tensão de entrada de modo comum pode variar entre os dois trilhos de alimentação, mas não pode alcançá-los de perto, pois algumas quedas de tensão (mínimo de 1 volt) devem permanecer nos transistores de saída dos dois espelhos de corrente.

Amplificador operacional como amplificador diferencial

Figura 5: amplificador diferencial Op-amp

Um amplificador operacional , ou op-amp, é um amplificador diferencial com ganho de modo diferencial muito alto, impedância de entrada muito alta e impedância de saída baixa. Um amplificador diferencial op-amp pode ser construído com ganho previsível e estável aplicando feedback negativo (Figura 5). Alguns tipos de amplificador diferencial geralmente incluem vários amplificadores diferenciais mais simples. Por exemplo, um amplificador totalmente diferencial , um amplificador de instrumentação ou um amplificador de isolamento são frequentemente construídos a partir de uma combinação de vários amplificadores operacionais.

Formulários

Os amplificadores diferenciais são encontrados em muitos circuitos que utilizam feedback negativo em série (seguidor de amp op, amplificador não inversor, etc.), onde uma entrada é usada para o sinal de entrada, a outra para o sinal de feedback (geralmente implementado por amplificadores operacionais ) . Para efeito de comparação, os antiquados amplificadores operacionais de extremidade única invertidos do início dos anos 1940 podiam realizar apenas feedback negativo paralelo conectando redes de resistores adicionais (um amplificador inversor de amplificador operacional é o exemplo mais popular). Uma aplicação comum é para o controle de motores ou servos , bem como para aplicações de amplificação de sinal. Na eletrônica discreta , um arranjo comum para implementar um amplificador diferencial é o par de cauda longa , que também é normalmente encontrado como o elemento diferencial na maioria dos circuitos integrados de amplificadores operacionais . Um par de cauda longa pode ser usado como um multiplicador analógico com a tensão diferencial como uma entrada e a corrente de polarização como outra.

Um amplificador diferencial é usado como portas lógicas acopladas de emissor de estágio de entrada e como chave. Quando usada como uma chave, a base / grade "esquerda" é usada como entrada de sinal e a base / grade "direita" é aterrada; a saída é obtida do coletor / placa certa. Quando a entrada é zero ou negativa, a saída é próxima de zero (mas não pode ser saturada); quando a entrada é positiva, a saída é mais positiva, a operação dinâmica sendo igual ao uso do amplificador descrito acima.

A rede de feedback simétrica elimina o ganho do modo comum e o viés do modo comum

Figura 6: Amplificador diferencial com op-amp não ideal: corrente de polarização de entrada e impedância de entrada diferencial

Caso a corrente de polarização de entrada (não ideal) do amplificador operacional ou a impedância de entrada diferencial sejam um efeito significativo, pode-se selecionar uma rede de feedback que melhora o efeito do sinal de entrada de modo comum e polarização. Na Figura 6, os geradores de corrente modelam a corrente de polarização de entrada em cada terminal; I ⁺ _b e I ^- _b representar a corrente de polarização de entrada em terminais de V ⁺ e V ^- respectivamente.

O equivalente Thévenin para a rede que conduz o terminal V ⁺ tem uma tensão V ⁺ 'e impedância R ⁺ ':

${\ displaystyle {V ^ {+}} '= V _ {\ text {in}} ^ {+} R _ {\ parallel} ^ {+} / R _ {\ text {i}} ^ {+} - I _ {\ texto {b}} ^ {+} R _ {\ paralelo} ^ {+}; \ quad {R ^ {+}} '= R _ {\ paralelo} ^ {+} = R _ {\ texto {i}} ^ { +} \ parallel R _ {\ text {f}} ^ {+},}$

enquanto para a rede que conduz o V ^- terminal:

${\ displaystyle {V ^ {-}} '= V _ {\ text {in}} ^ {-} R _ {\ parallel} ^ {-} / R _ {\ text {i}} ^ {-} + V _ {\ texto {saída}} R _ {\ paralelo} ^ {-} / R _ {\ texto {f}} ^ {-} - I _ {\ texto {b}} ^ {-} R _ {\ paralelo} ^ {-}; \ quad {R ^ {-}} '= R _ {\ parallel} ^ {-} = R _ {\ text {i}} ^ {-} \ parallel R _ {\ text {f}} ^ {-}.}$

A saída do op-amp é apenas o ganho de malha aberta A _ol vezes a corrente de entrada diferencial i vezes a impedância de entrada diferencial 2 R _d , portanto

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = A _ {\ text {ol}} \ cdot 2R _ {\ text {d}} {\ frac {{V ^ {+}} '- {V ^ {-}} '} {2R _ {\ parallel} + 2R _ {\ text {d}}}} = ({V ^ {+}}' - {V ^ {-}} ') A _ {\ text {ol}} R _ {\ paralela} / (R _ {\ paralela} \ paralela R _ {\ text {d}}),}$

onde R _|| é a média de R ⁺ _|| e R ^- _|| .

Essas equações passam por uma grande simplificação se

${\ displaystyle R _ {\ text {i}} ^ {+} = R _ {\ text {i}} ^ {-}, \ quad R _ {\ text {f}} ^ {+} = R _ {\ text {f }} ^ {-},}$

resultando na relação

${\ displaystyle V _ {\ text {in}} ^ {+} - V _ {\ text {in}} ^ {-} - R _ {\ text {i}} I _ {\ text {b}} ^ {\ Delta} = V _ {\ text {out}} \ left [{\ frac {R _ {\ text {i}}} {R _ {\ text {f}}}} + {\ frac {1} {A _ {\ text {ol }} {\ frac {R _ {\ text {i}}} {R _ {\ text {i}} \ parallel R _ {\ text {f}} \ parallel R _ {\ text {d}}}}}} \ right ],}$

o que implica que o ganho de malha fechada para o sinal diferencial é V ⁺ _in  -  V ^- _in , mas o ganho de modo comum é identicamente zero.

Também implica que a corrente de polarização de entrada de modo comum foi cancelada, deixando apenas a corrente de deslocamento de entrada I ^Δ _b = I ⁺ _b  -  I ^- _b ainda presente, e com um coeficiente de R _i . É como se a corrente de deslocamento de entrada fosse equivalente a uma tensão de deslocamento de entrada agindo através de uma resistência de entrada R _i , que é a resistência da fonte da rede de feedback para os terminais de entrada.

Finalmente, enquanto o ganho de tensão de malha aberta A _ol for muito maior do que a unidade, o ganho de tensão de malha fechada é R _f / R _i , o valor que se obteria por meio da análise de regra conhecida como "terra virtual "

Notas de rodapé

Veja também

• Célula Gilbert
• Amplificador de instrumentação
• Configuração diferencial op-amp
• Lógica de emissor acoplado

Referências

links externos

• Amplificador Diferencial BJT - Circuito e explicação
• Uma bancada de teste para circuitos diferenciais
• Nota de aplicação: Dispositivos analógicos - AN-0990: Terminando um amplificador diferencial em aplicações de entrada de terminação única