Al examinar un amplificador operacional del tipo integrado, encontramos siempre con una etapa amplificadora diferencial en su entrada, constituida por dos o cuatro transistores, en una configuración bastante característica, raramente observada en otros casos. ¿Por qué utilizar una configuración de este tipo en un amplificador operacional? ¿Qué excepcionales características, presenta un circuito de ese tipo que lo hacen casi obligatorio en los circuitos lineales, específicamente en los amplificadores operacionales? En este artículo, basados en informaciones del Manual de Circuitos Integrados Lineales RCA, daremos algunas de las propiedades eléctricas principales, de los circuitos amplificadores diferenciales y hablaremos del por qué de su utilización en la mayoría de los circuitos integrados lineales.
EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
En el caso de circuitos integrados, la configuración del amplificador diferencial, puede ser considerada ideal por una serie bastante convincente de razones.
Podemos citar, por ejemplo, el balanceo inherente de la tensión base emisora y también la ganancia por igual de los transistores en condiciones de cortocircuito.
Los dos transistores, pueden ser prácticamente idénticos - en lo que se refiere a las propiedades eléctricas - dada la posibilidad de ser fabricados simultáneamente en la misma pastilla y en posición muy próxima.
La configuración, por otro lado, requiere pocos capacitores y resistores de gran valor lo que simplifica bastante su fabricación según la técnica del circuito integrado.
La ganancia de un amplificador diferencial es también función de la relación entre las resistencias de colector, y no de su valor absoluto.
En consecuencia, por el reducido número de componentes, el amplificador diferencial, se vuelve ideal para un procesamiento monolítico, lo que explica su elección por la mayoría de los fabricantes, como base de los circuitos integrados lineales (figura 1).
Su versatilidad en términos de comportamiento eléctrico, también es excepcional.
En efecto, los amplificadores diferenciales, pueden proporcionar amplificación lineal, desde señales de corriente continua, hasta señales de frecuencias correspondientes al rango de VHF.
Con ello, se adaptan perfectamente a las más diversas funciones como multiplicadores de frecuencia, limitadores de señal, moduladores en amplitud, detección de producto, generadores de señales, etc.
Además, se vuelve extremadamente simple, las configuraciones capaces de determinar su ganancia, la compensación de temperatura o el silenciamiento.
La configuración diferencial posibilita por sus características eléctricas, excelente aislamiento de la salida en relación a la entrada, elimina la necesidad de neutralización y simplifica bastante la disposición de los circuitos de realimentación.
El matrimonio de los coeficientes de temperatura (de los componentes fabricados en una misma pastilla de silicio), asegura características eléctricas estables, en una amplia gama de temperaturas de funcionamiento.
FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO
En la figura 2, tenemos la configuración básica de un amplificador diferencial balanceado, del tipo normalmente encontrado cuando se desea ganancia de señal en un circuito integrado lineal.
Esta configuración es la base de innumerables circuitos utilizados, con las más diversas finalidades y encontrados con las más diversas especificaciones, desde aplicaciones en corriente continua, hasta señales de altas frecuencias.
Analizamos su principio de funcionamiento.
Q1 y Q2, constituyen el par diferencial, cada uno funcionando de manera similar a una configuración de componentes discretos, hasta el momento en que sus emisores son interconectados.
Evidentemente, en este caso, como los dos transistores se fabrican en una misma pastilla simultáneamente, sus características eléctricas son bastante similares, con lo que un matrimonio perfecto en lo que se refiere a su comportamiento puede ser hecho (lo que no sería posible de modo tan bueno si se utilizaron transistores discretos).
Las corrientes de los transistores Q1 y Q2, acoplados por el emisor, proceden de una fuente de corriente constante, formada por un tercer transistor y una resistencia (figura 3).
Las redes de compensación de temperatura, para asegurar la constancia de funcionamiento en función de las variaciones de las condiciones ambientales, pueden ser agregadas a este circuito básico. Sin embargo, para facilidad de explicación, inicialmente las omitimos.
El amplificador de la figura 2 está conectado para funcionar con una fuente de alimentación simétrica y una polaridad opuesta. Sin embargo, resaltamos que es posible hacer la alimentación de un amplificador diferencial, con una fuente simple desde que una red de polarización de base para los transistores, sea agregada.
En el análisis del amplificador diferencial simétrico, consideramos dos circuitos independientes, siendo uno formado por el transistor Q1 y su resistor de colector R1 y el otro por el transistor Q2 y por su resistencia de colector R2.
Si las características de los dos transistores son absolutamente idénticas, los circuitos se comportan como divisores de tensión de las mismas características y podemos interconectar sus emisores, alimentando los circuitos con la misma fuente.
Ahora, si dos tensiones de entrada Vg11 y Vez ambas nulas, o de mismo valor y polaridad, se establecen en las entradas del par de transistores, el amplificador no pierde su condición de equilibrio, porque se mantiene la igualdad entre las corrientes de colector Ic1 y Ic2 y, por lo tanto, la diferencia de potencia entre los colectores de Q1 y Q2 se mantiene nula (figura 4).
Por la figura 2, vemos que la suma entre la corriente de emisor de Q1 y Q2, debe resultar en la corriente suministrada por la fuente lo que es constante.
Así, si hay un aumento de la corriente de colector de uno de los transistores, es evidente que la corriente del otro emisor, debe disminuir en la misma proporción.
La calidad de la fuente de corriente constante, influye bastante en la eficiencia de este proceso, que es de fundamental importancia para el comportamiento eléctrico de un amplificador diferencial.
Así, cuando la base de Q1 se vuelve positiva en relación a la base de Q2 (entrada diferencial), aumenta la corriente a través de Q1 mientras que la corriente de Q2 disminuye en la misma proporción, manteniendo aún la suma entre ambas igual a lo, que el divisor de tensión formado por los dos transistores es desequilibrado.
En estas condiciones, Ic1 es mayor que lc2 apareciendo una diferencia de potencial entre los colectores de los dos transistores, siendo el colector de Q2, positivo en relación al colector de Q1 (figura 5).
La aplicación de una entrada diferencial, produce como consecuencia la aparición de una salida diferencial.
Este es exactamente el principio de funcionamiento del amplificador diferencial en su aplicación fundamental, siendo esta denominada como entrada y salida diferenciales;
El amplificador diferencial y sin embargo, una configuración bastante versátil que ofrece otras posibilidades de conexión, que describimos a continuación:
a) Por ejemplo, si solamente la tensión V1 aumenta en relación a la masa. La tensión de colector de Q1, disminuye con relación a la misma referencia. Tomando la salida del colector de Q1, en relación a la masa, el amplificador funciona como un paso simple del modo convencional, con inversión de fase.
Este modo de funcionamiento, se conoce como entrada y salida simple con inversión de fase (figura 6).
b) Como el aumento de la corriente en Q1, provoca una disminución de la corriente de Q2 (de modo que la suma se mantenga constante.), una tensión incremental positiva en Vb1, provoca un aumento de la tensión de colector de Q2, en relación a la masa .
La salida en el colector de Q2, el modo, de funcionamiento del amplificador diferencial puede ser dicho como: entrada y salida simples sin inversión de fase (figura 7).
c) También podemos utilizar el amplificador diferencial, según el modo de entrada diferencial y salida simple. En este caso, la salida se toma del colector de Q1 o de Q2, según queramos o no inversión de fase, y se aplica una entrada diferencial (Vb1 - Vb2), entre las bases de los transistores.
La relación existente entre la variación de la tensión de entrada y la variación de la tensión de salida (la primera expresada como la diferencia entre las tensiones de base y la segunda expresada como la variación de las tensiones de colector en relación a la tierra) se denomina ganancia diferencial de tensión (Ad).
Si la tensión de entrada se toma como la tensión entre las bases, y la tensión de salida como la diferencia de tensión entre los colectores, la relación se denomina ganancia de tensión diferencial con salida simétrica (Aose).
Si la tensión es tomada de un colector en relación a la masa, tenemos la ganancia de tensión diferencial con salida simple (Adse).
CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERENCIA
La variación de las corrientes de colector Ic1e Ic2 en función de la diferencia entre las tensiones de entrada (Vb1 - Vb2), es una de las características más importantes en la descripción del funcionamiento de un amplificador diferencial.
La corriente circulante por el colector, puede ser expresada en función de la corriente circulante por el emisor del transistor, tomando como base la relación normal de ganancia para un transistor, o sea:
En esta expresión, el factor ? (alfa), representa la fracción. de la corriente de emisor que circula por el colector.
Si en el amplificador diferencial Q1 y Q2 son iguales, entonces ?1 = ?2 = ? y, por lo tanto, las relaciones entre las corrientes de emisor y las corrientes de colector se pueden escribir como:
Podemos también escribir, una ecuación que relaciona la corriente de emisor, Ie, con la tensión base-emisor Vbe
En esta expresión ls, es la corriente de saturación de la unión base-emisor, es decir, la corriente de fuga inversa del diodo emisor-base.
En el caso de que se produzca un aumento de la temperatura de la unión de los gases de efecto invernadero, x 10-19 C).
Para una. La temperatura de 300ºK (aproximadamente 27ºC), la corriente de fuga ls es del orden de 0,2 x 10-5 A, para los transistores monolíticos típicos y el factor tiene un valor del orden de 26 x 10-23 V.
Para una corriente de emisor I y mayo que 1 nA, puede ser despreciada en la ecuación el término "-1" y la corriente de emisor de Q1 y Q2 puede ser dada por una relación simplificada:
Para el caso de los transistores son idénticos, Is1 = Is2 = Is las expresiones de (IV) se pueden escribir como:
Según se explicó anteriormente, la corriente de la fuente Io debe ser igual a la suma de las corrientes de los emisores de Q1 y Q2 y, por lo tanto, su expresión puede escribirse de la siguiente manera:
Podemos en esta expresión, poner el término Is en evidencia de modo que la ecuación pasará a ser escrita como:
Como hemos señalado anteriormente:
Si en las ecuaciones anteriores sustituimos Ie1 e Ie2 por sus valores dados según las siguientes expresiones,
Observando la figura 2, es evidente que las tensiones base-emisor Vbe1 Vbe2 pueden expresarse en función de las tensiones de entrada Vb1 y Vb2 de la siguiente manera:
Utilizando estas ecuaciones, podemos expresar la corriente de la fuente en función de la tensión existente entre las entradas, o sea, en función de la tensión diferencial:
Resolviendo las ecuaciones anteriores para I1 = I2 = I podemos obtener las expresiones de la corriente de colector de los dos transistores en función de la tensión de entrada diferencial:
La figura 8 muestra la curva obtenida para IcI y lc2 en unidades del factor h (h = kT / q), para las ecuaciones anteriores.
Estas curvas de transferencia son bastante importantes en lo que se refiere a la información que puede proporcionar sobre el funcionamiento de un amplificador diferencial.
Son las Siguientes las características que podemos extraer de las curvas:
a) Las características de transferencia de la figura 8, son lineales en una región central, alrededor del punto de funcionamiento.
Para las curvas indicadas (KT / q = 26 mV), la región lineal corresponde aproximadamente a una excursión de la tensión de entrada de 50 mV (pico a pico).
b) La máxima pendiente de las curvas que ocurre en el punto de funcionamiento nos permite definir la transconductancia efectiva del amplificador diferencial.
c) La pendiente de las curvas de transferencia (transconductancia) depende del valor de la corriente suministrada por la fuente de corriente constante y puede ser variada modificando ese valor, sin afectar la región lineal. Esta relación, implica la posibilidad de obtener un control de ganancia del amplificador mediante la variación de la corriente lo.
d) Las funciones de transferencia y sus pendientes, son función del factor ?r y de la temperatura, ambos previsibles, y de dos, constantes físicas.
e) El amplificador diferencial, se comporta como un limitador natural ya que, con entradas mayores que +/- 4 kT / q (aproximadamente 100 mV para las curvas mostradas), no se obtienen aumentos adicionales de la tensión de salida.
f) La corriente de salida de un amplificador diferencial, es igual al producto de la tensión de entrada por la transconductancia. En un amplificador diferencial, la transconductancia es proporcional a la corriente de la fuente, lo que quiere decir que el circuito puede ser utilizado como mezclador, multiplicador de frecuencia, modulador o de detector de producto, bastando para ello, se hace lodo de multiplicación, y la forma de onda de entrada de multiplicador.
En el punto de funcionamiento (Vlb1 - Vb2) = O) la transconductancia toma su valor máximo, denominado transconductancia máxima que puede ser expresada por la ecuación:
Para una temperatura de funcionamiento de 225ºC, este valor puede ser calculado con aproximación por la expresión:
Las ecuaciones anteriores revelan que para un mismo valor de la corriente de fuente lo, la transconductancia efectiva del amplificador diferencial es la cuarta parte del valor correspondiente a un solo transistor.
Estas condiciones ocurren porque en el punto de funcionamiento, la corriente lo divide en partes iguales entre los transistores, y la tensión de entrada queda también aplicada (en ambos), en partes iguales.
Cuando se hace funcionar el amplificador para obtener una salida simétrica entre los colectores de los transistores del par diferencial, las corrientes de salida a través de la impedancia de carga, contribuyen con partes iguales para la tensión de salida de cada transistor.
Como resultado se obtiene una tensión de salida correspondiente al doble de la que se obtendría en terminación simple. Esta duplicación de la tensión de salida se produce porque se dobla la impedancia de carga, y no por un aumento de la transconductancia.
Sin duda, si una impedancia de carga de valor reducido y ligada entre los colectores de los dos transistores, en relación a los valores de los resistores de alimentación de colector en paralelo, la corriente de carga, queda siendo el doble de la corriente obtenida con terminación simple, para una misma señal de entrada.
Esta condición, puede ser esquematizada definiendo una transconductancia efectiva aparente (Gm (ap)), que en el circuito de la salida puede ser expresada como:
