AMPLIFICADOR DIFERENCIAL Facultad de ingenieria mecanica, electrica y electronica Quiñones pacco alberto arturo 160901@unsaac.edu.pe I. INTRODUCCIÓN El amplificador diferencial (AD) es un circuito pensado para amplificar la diferencia de dos señales. El AD es un circuito que constituye parte fundamental de muchos amplificadores y comparadores y es la etapa clave de las familias lógicas de sistemas digitales. Todo el desarrollo está alineado en base a analizar experimentalmente el funcionamiento del amplificador diferencial, realizar el análisis en DC y AC y evaluar los parámetros experimentales. II. INFORME FINAL A. Realizar teóricamente el análisis en DC del circuito amplificador. Se hace un análisis en corriente directa (DC) del circuito de la “Fig. 1”, como todo análisis se inicia con el cálculo del punto Q de los transistores π1 y π2 , teóricamente y luego con los valores obtenidos en el laboratorio que se muestran en la “Fig. 2” Fig. 1. Circuito de amplificador diferencial. Vce1[V] Ic1[mA] Ib1[uA] Vbe1[V] hfe1 11.06 15uA 0A -2.4V 210 Medición en DC Vce2[V] Ic2[mA] Ib2[uA] Vbe2[V] hfe1 13.35 6uA 0A -2.6 240 Fig. 2. Cuadro de valores obtenidos en laboratorio. El análisis en DC se procede eliminando las fuentes de corriente alterna (CA) y manteniendo las fuentes de DC, y tambien se procede haciendo una simetría al circuito para calcular : πΌπ1 , πππ1 , πΌπ2 y πππ2 . El proceso antes mencionado se observa en “Fig. 3” y las ecuaciones a usar son “(1)” y “(2)”, de las cuales se tiene la condición de resistencias en paralelo: π 1 = π 1π β₯ π 1π . Fig. 3. Circuito para análisis en DC. πΌπ1 = π΅2 − πππ π 1π (1) πππ1 = π΅1 + π΅2 − πΌπ1 (π 2 + π 1π ) (2) Los resultados obtenidos se observan en “Fig. 4”, en base a ello se obtiene la recta de carga estática de los transistores como tambien del amplificador operacional “Fig. 5” y “Fig. 6”, con los valores calculados y con los valores obtenidos del laboratorio. Aclarando que se usó el transistor 2N3904 en vez del BC548, se observa que el máximo valor de πππ1 es de 6 π y se selecciona el valor de 0.7 ya que es el punto medio entre máximo y mínimo valor en características de encendido, el rango de ganancia esta entre 200-400 y se selecciona 200 por ser el más común en este tipo de transistor [1]. Vce1[V] Ic1[mA] Ib1[uA] Vbe1[V] hfe1 12.12 3.575 17.87 -0.7 200 Cálculos en DC Vce2[V] Ic2[mA] Ib2[uA] Vbe2[V] hfe1 12.12 3.575 17.87 -0.7 200 Fig. 4. Cuadro de valores obtenidos en laboratorio. B. Realizar teóricamente el análisis en AC del circuito amplificador. Análisis de modo diferencial: Luego de hacer un análisis en corriente continua, se hace un análisis en corriente alterna como se muestra en la “Fig. 3” y considerando los siguientes criterios de “Fig. 1” que modelan los voltajes de salida respecto a Vi1 y Vi2 respectivamente Fig. 1. Voltajes de salida respecto a Vi1 y Vi2. Considerando la “Fig. 2”, se tiene la ganancia en modo diferencial y la impedancia de entrada y salida respectivamente en “Fig. 3”. Fig. 2. Ganancia en modo diferencial e impedancia de entrada y salida Fig. 3. Circuito en corriente alterna modo diferencial (elaboración propia). Análisis en modo común: Luego de hacer un análisis en corriente directa, consecuentemente hace un análisis en corriente alterna como se muestra en la “Fig. 5”. Teniendo en cuenta las consideraciones del marco teórico se define las ecuaciones de “Fig. 4” para la obtención de la ganancia en modo común y la impedancia de entrada como de la salida, respectivamente. Fig. 4. Ganancia en modo común e impedancia de entrada y salida. Fig. 5. Circuito en corriente alterna modo común (elaboración propia). La ganancia en modo común resultaría teniendo en cuenta a “(3.1)” y “(4)”: π΄π = π π π 1π + βππ π π 2βππ βππ βππ = βππ π΄π = (3.1) (3.2) (4) Resultando: π΄π = 0.25, lo que indica que la señal en modo común de amplitud 30ππ, deberá dar una señal de salida de 30ππ. 0.25 = 7.5 ππ y la ganancia en modo diferencial estaría dada por “(3.2)” que resulta: π΄π = 34.38 C. Dibujar la recta de carga estática con valores medidos en la práctica. Si graficamos los resultados obtenidos de manera experimental y teórica podemos obtener “Fig. 5” y “Fig. 6”. En un amplificador diferencial, debido a que existen dos señales de entrada, cada transistor funcionará dentro de una región de las características de colector limitada por unos valores máximos de tensiones y corrientes [4]. Se puede observar que en “Fig. 5” el punto de trabajo Q es estable, sin embargo, en “Fig. 6” observamos que la corriente de colector es muy pequeña, tomando en cuenta el valor experimental de la corriente de la base de “Fig. 2”, podemos afirmar que el transistor está cerca de la zona de corte. Fig. 5. Recta de carga de modo común para el circuito de la “Fig. 1”. Fig. 6. Recta de carga estática de amplificador diferencial teórico. D. Interpretar los resultados obtenidos de esta gráfica. Por conocimientos previos sabemos que el punto Q de los transistores debe de estar lo más centrado posible para que la señal pase sin ningún problema, esto nos hace considerar las condiciones bajo las cuales el transistor debe de trabajar o la obtención de un método para considerar el correcto funcionamiento del amplificador diferencial [5]. Se identifican primeramente las tres zonas más características de funcionamiento de un transistor como son corte, activa y saturación [2], teniendo en cuenta ello se procede a calcular los limites donde el transistor trabaje de manera muy estable. Para calcular la corriente máxima en el colector se inicia por “(2)”, donde ahora consideramos una tensión de colector emisor de saturación de 0.3 [1] y resulta “(5)” πΌπ(π ππ‘) = π΅1 + π΅2 − πππ(π ππ‘) π π + π 1π (5) Teniendo en cuenta a “(6)”, que resulta de un análisis gráfico, podemos obtener la corriente de colector mínima y también obteniendo el valor de la corriente de colector de “Fig. 4”. πΌπ(πππ) = πΌππ − (πΌπ(π ππ‘) − πΌππ ) (6) Los resultados de “(5)”, “(6)” y considerando la corriente de colector del punto Q podemos graficar el rango máximo y mínimo como en “Fig. 7”. Fig. 7. Rango de valores de corriente de colector. Ahora para ver es comportamiento en la tensión de colector emisor tambien se calcula en rango de trabajo con “(7)” y” (8)”, que resultara en la recta de carga de modo común. ππ(πππ₯) = πππ + πΌπ(πππ₯) . π 1π + π΅2 (7) ππ(πππ) = πππ + πΌπ(πππ) . π 1π + π΅2 (8) πππ(πππ₯) = π΅2 + π΅2 − πΌπ(πππ) (π 1π + π π ) (9) Los resultados se muestran en “Fig. 8”, siendo los puntos de variación de Q entre: (πππ(πππ) ; πΌπ(πππ₯) ) y (πππ(πππ₯) ; πΌπ(πππ) ). Fig. 8. Recta de carga de modo común y variación del punto Q. E. Con los valores obtenidos calcular la potencia de disipación del transistor. Según “Fig. 2” y “Fig. 4” se obtendrá dos resultados donde podemos observar la disipación de potencia experimental y teórico, como se puede observar en “Fig. 8”. Potencia experimental Potencia calculado T1 0.1659 mW T1 43.32 mW T2 0.0801 mW T2 43.32 mW Fig. 8. Potencia de disipación de transistor experimental y calculado. F. Mencione conclusiones en base a cada uno de los objetivos. Las conclusiones son: a. Como se pudo observar los resultados de las ganancias de modo comun y modo diferencial llegan a ser considerablemente buenos, se pudo observar que la ganancia diferencial es de 34.38 que no es tan alto para este tipo de amplificadores. La relacion de rechazo comun tambien llega a ser proporcionalmente bajo con 137.52 ya que normalmente superan los 200. b. Al realizar el analisis en DC se puede tener una corriente de colector muy pequeña y normalmente es muy pequeña lo cual se consigue colocando resistores de mucho mayor valor, y es lo que aumenta la impedancia de entrada del amplificador, las variaciones del punto Q determinan el comportamiento y que señales permiten replicarlas fielmente. En el caso, los cálculos llevando a AC hay que hacer algunas transformaciones como el la fuente de corriente y calcular los valores de la ganancia ya sea en modo común o en modo diferencial. c. G. Mencione recomendaciones en base a cada uno de los objetivos. Las recomendaciones son: a. La eficacia de este sistema se puede llegar a mejorar aumentando el valor de las resistencias del colector o la de la resistencia del emisor que es común, con el fin de tener una resistencia de colector muy baja y lo que aumenta la eficacia del amplificador diferencial b. En cuanto al análisis en DC, lo recomendable es identificar bien la variación del punto Q para futuros cambios en el diseño del mismo. En caso del análisis en AC se recomienda hacer el testeo de las puntas de prueba en el laboratorio ya que esto causa errores intrínsecos que pueden llegar a errar todos los resultados c. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] Onsemi, “General Purpose Transistors NPN Silicon 2N3903, 2N3904”. Boylestad, R. L., & Nashelsky, L. (2002). Electronic devices and circuit theory. Pearson Educación. García Pérez, O. A., González Posadas, V., Jiménez Martín, J. L., Serna Puente, J. M., García Muñoz, L. E., Segovia Vargas, D., & López Fernández, J. A. (2008). Diseño de amplificadores diferenciales de bajo ruido para antenas uwb en la banda baja del proyecto Ska. Lucas, L. M. (1999). Estudio de influencia de parámetros significativos de BJTs en estructuras análogicas bipolares (Doctoral dissertation, Universidad de Extremadura). Sola, J. A. R. (2003). Diseño de circuitos y sistemas integrados. Univ. Politèc. de Catalunya. .
