Tecnología Electrónica

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1 Tecnología Electrónica Capítulo 5: Amplificadores Multietapa y Diferenciales. Versión: 017/0/7

2 Índice 1. Amplificadores multietapa. Estructura y tipos de acoplo.. Pares de transistores. Cascodo, Darlington y Diferencial 3. Amplificadores integrados 4. Fuentes de corriente Espejos. Fuentes Wilson y Widlar. Fuentes múltiples 5. Amplificadores diferenciales Modos y modelos. Análisis en gran y pequeña señal. CMRR. 6. Amplificadores con cargas actias 7. Ejemplos de amplificadores integrados Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales -

3 1. Amplificadores multietapa: motiación Configuraciones básicas características en señal limitadas. Es raro que una sola etapa satisfaga todas las especificaciones necesarias ganancias, impedancias, márgenes dinámicos, etc. Los amplificadores prácticos suelen ser multietapa Un amplificador multietapa está constituido por un conjunto de amplificadores básicos conectados entre sí. Objetios de un diseño multietapa, muy ariados. Obtener una ganancia global mayor que con una sola etapa. Obtener unas impedancias en entrada y salida, adecuadas a la aplicación. Adaptar las características de la señal a las especificaciones dadas, en tensión, corriente, frecuencia, potencia, etc. Aproechar los puntos fuertes de cada configuración básica y al mismo tiempo compensar o disminuir sus puntos débiles. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 3

4 1.1. Amplificadores multietapa: estructura Una estructura típica Tres etapas: de entrada, intermedia, y de salida. Genr. Etapa de entrada Etapa intermedia Etapa de salida Carga Criterios de diseño Etapa de entrada: Adaptarse al generador de señal. Parámetros: impedancia de entrada, nieles de ruido, etc. Etapa intermedia: Ganancia adicional. Adaptar nieles entre etapas de entrada y salida. Etapa de salida: Adaptarse a la carga. Parámetros: impedancia de salida, nieles de potencia o amplitud final de la señal deseada. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 4

5 1.. Acoplo entre etapas Un problema a resoler El acoplo (forma de conexión... ) entre etapas: Genr. Etapa de entrada Etapa intermedia Etapa de salida Carga Necesidad Transferir la señal a traés de todas las etapas. Restricciones No interesa modificar los puntos de trabajo ni alterar las características de cada etapa, del generador y de la carga. Debe transferirse la señal en las mejores condiciones posibles, sin alterar la información incluida en ella. Ausencia de distorsión, componentes de frecuencia de interés, etc. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 5

6 1.. Tipos de acoplo. Acoplo capacitio. Tipos básicos: capacitio, inductio y directo El acoplo óptico es posible, aunque no es sencillo de realizar. Acoplo capacitio Utiliza un condensador para aislar en DC (polarización) y dejar pasar señales en cierta banda de frecuencias. C 1 C C 3 A 1 A La impedancia de C x es tal que resulta un c.c. a las frecuencias útiles de la señal: Z Cx 1 C x Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 6

7 1.. Tipos de acoplo. Nomenclatura Configuran la estructura del circuito en señal. Un ejemplo: C. de Acoplo: conecta dos etapas o deja pasar la señal a su traés. C. de Desacoplo: elimina del cto. en señal un elemento dado. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 7

8 1.. Tipos de acoplo. Acoplo inductio. Acoplo inductio Emplea transformadores, elementos electromagnéticos, etc. En bajas frecuencias (p.e. audio) no interesa mucho, por el eleado peso y olumen de los transformadores necesarios. Es coneniente en altas frecuencias o si se requiere aislamiento galánico entre elementos o etapas del circuito. Puede formar un filtro resonante con una LC adecuada. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 8

9 1.. Tipos de acoplo. Acoplo directo. Acoplo directo La salida de una etapa se une eléctricamente a la entrada de la siguiente etapa. Ventajas: Utiliza menos componentes para polarizar los elementos actios. Permite amplificar desde frecuencia cero. Es esencial en amps. de continua, como el Operacional. nconenientes (relatios...): Los puntos de trabajo de los dispositios están interrelacionados. En consecuencia, deben fijarse de forma conjunta en todos ellos. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 9

10 . Pares de transistores. Par Cascodo Ciertas combinaciones de dos transistores con acoplo directo tienen propiedades peculiares. Algunos ejemplos: Par cascodo, par diferencial, Darlington, PNP compuesto, etc. Par cascodo. (figura adjunta) Combinación en serie para señal ariable (cascada), de un emisor común (Q1) y un base común (Q) (EC-BC) Configuración útil en Alta Frecuencia En frecuencias medias se comporta como una etapa E.C. simple Actiidad: Por qué esta etapa se llama cascodo? Suba esta información al Foro de la asignatura. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 10

11 . Par Darlington El Par Darlington equiale a un único transistor compuesto El Darlington básico tiene tres terminales exteriores: E, B y C Es como un BJT con el doble de VBE en conducción y una beta muy alta V V V BE_Darlington BED BE β β CD C1 C 1 B1 B BD B1 1 β β B E1 1 B1 1 B1 CD βd β1 β1 β BD β D β β 1 Hay ersiones con un cuarto terminal: entre E1 y B. En este caso, se analiza mejor como DOS BJT en serie. El Darlington se usa mucho como switch (interruptor) Control simple de cargas (motor, luces ) desde un Sistema Digital Actiidad: busque en nternet Darlington Array y aplicaciones. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 11

12 A. Par diferencial. i C1 i C B O Conjunto de dos transistores: Unidos por los terminales de referencia de ambos Q s BJT: emisores unidos Par acoplado por emisor. FET: fuentes unidas Par acoplado por fuente. Polarización por corriente en el punto común: generador O Estructura simétrica, referida al punto común. Dos entradas: una en cada transistor (base o puerta). Dos salidas: las corrientes de cada transistor (colector o drenador). El par diferencial es una configuración esencial en amplificación. Bloque básico de muchos amplificadores integrados ( OP s) Dedicaremos una sección completa a su estudio. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 1

13 3. Amplificadores integrados. ntroducción. Amplificadores integrados En un solo C, incluyen todo lo necesario: Polarización, etapas de amplificación, circuitos de protección, etc. Un ejemplo típico: el AO tipo 741 organizado en tres etapas Acoplo directo entre ellas, luego es un amplificador de continua. Nota: la función de C (capacidad Miller) se erá oportunamente. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 13

14 3. Ejemplo: estructura del AO 741 (detalle) El circuito interno del 741 es aparentemente muy complejo... Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 14

15 3. Ejemplo: estructura del AO 741 (bloques) Puede diidirse en bloques funcionales muy claros: Redes de polarización, mediante fuentes de corriente. Etapas de amplificación estándar: diferencial, EC, potencia. Ahora estudiaremos los elementos principales de los amplif. integrados. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 15

16 4. Fuentes de corriente La polarización por fuentes de corriente es frecuente en los C s Facilitan puntos de trabajo Q muy estables En C s, los TRT s ocupan menos superficie de chip que los resistores mayor densidad de integración. +V o O R O - Qué les pedimos a las fuentes de corriente de polarización? Corriente constante: R O Tensión de trabajo, V o, maximizada ndependientes de otros parámetros como: alimentación, temperatura Ocupar la menor superficie de chip posible (resistores no muy grandes) Las diersas configuraciones de fuentes tratan de responder a estas condiciones de trabajo Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 16

17 4.1. Espejo de corriente: circuito básico. El efecto espejo de corriente se da cuando dos TRTs comparten ariable de control, haciendo uno de ellos de referencia. En el espejo de corriente con BJT, comparten la misma V BE. Si Q 1 y Q son idénticos y están a la misma temperatura T: V BE1 C1 V S BE e ( V BE / V T ) C ref C1 C B1 B C C1 B1 B C C Si β>>1 se tiene: C1 C ref ref V CC V R BE Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 17

18 4.1. Espejo de corriente: otros parámetros Otros parámetros de la fuente: tensión de trabajo y R O. La salida o de fuente en espejo es CE por tanto: C = o R O + o - Tensión mínima de trabajo: o CE V CEsat Resistencia interna: R O rce r o V A O Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 18

19 4.. Fuente Wilson Posee una mayor resistencia de salida que el espejo básico Las fuentes de corriente de alta resistencia, como el circuito Wilson, son muy útiles en la construcción de amplificadores diferenciales de alto CMRR. O C ref V CC VBE R V BE3 Actiidad de estudio: Obtenga los parámetros de interés de la fuente Wilson: Resistencia de salida R O Margen de trabajo V o Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 19

20 4.3. Fuente Widlar: características. Permite corrientes de salida de alores bajos, inferiores a ref Valores bajos de corriente interesan por razones de consumo y potencia disipada. Para fuentes de corriente de bajo alor, R 1 el área ocupada en el chip por dicha R sería muy eleada. ref Con ambos trt s iguales y en actia se tiene: C C V BE1 V T 1 Se VBE1 VT ln V BE V T Se VBE VT ln C1 S C S siendo: V V R BE1 BE E Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 0

21 4.3. Fuente Widlar: características (). Aproximando, considerando betas muy grandes: VBE1 VBE R C VBE R O Sustituyendo V BE1 y V BE por sus expresiones en función de C1 e C se obtiene: ref V T ln C S 1 V ln T C S R C y despejando R : VT R ln C C1 C Y despreciando las corrientes de base, se tiene además que: C1 ref V CC V R 1 BE1 Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 1

22 4.4. Fuentes múltiples En un amplificador integrado, arias fuentes pueden utilizar la misma corriente de referencia. La corriente a traés de R1 sire como referencia para las cuatro fuentes de corriente. Q 1 y Q forman un espejo de corriente básico. Q 1 y Q 3 forman una fuente Widlar (donde 3 < ref ) El mismo funcionamiento se tiene para los transistores pnp: sólo se diferencian en el sentido de la corriente y en la polaridad de la tensión. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales -

23 5. Amplificadores diferenciales. ntroducción Son un tipo especial de amplificadores de gran importancia Disponen de dos entradas y al menos una salida referidas a masa El más habitual es el amplificador diferencial de tensión. El modelo del amplificador diferencial es complejo Por construcción, el amplificador reacciona diferente según la forma en la que se relacionan las señales de entrada Esto se caracteriza como los modos del diferencial Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 3

24 5.1. Amplificadores diferenciales: modos Existen dos modos de funcionamiento Modo diferencial, referido a la diferencia entre las entradas. Modo común, referido a la parte común entre las entradas. Las definiciones y modelo de las entradas son: definiciones de ambos modos generadores de entrada Equialentes! modelo para los generadores Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 4

25 5.1. Amplificadores diferenciales: modelo Cada modo de funcionamiento tiene una ganancia distinta La ganancia diferencial y la ganancia común. En consecuencia, la salida del amp. diferencial es una combinación de ambos modos: o od oc A d id A ncluyendo las impedancias de entrada (diferentes según el modo) se define el modelo completo para el amplificador diferencial: c icm Normalmente: A d >> A c R cx >> Ejercicio. Simplifique el modelo del A. diferencial para los casos: Señal de entrada sólo en modo diferencial. Señal de entrada sólo en modo común. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 5

26 5.1. Amplificadores diferenciales: aplicaciones Los amplificadores diferenciales son muy importantes Sobre todo en aplicaciones donde el ruido enmascara la señal Si el ruido es parte común, se amplifica mucho menos que la parte diferencial (señal útil). Un caso típico son los amplificadores de ECG: Actiidad: Qué fuente de ruido se tiene en este caso? De qué frecuencia es la señal de ruido? Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 6

27 5.1. Amplificadores diferenciales: CMRR El mismo caso que el ECG es habitual en medidas de sensores La característica que más interesa del amplificador diferencial es su capacidad para eliminar la componente de señal común Esta capacidad se puede cuantificar fácilmente relacionando las ganancias diferencial y común. A la relación entre ambas, se la define como Relación de Rechazo al Modo Común (Common Mode Rejection Ratio = CMRR): CMRR A A d c A CMRR( ) 0log d db A c Los fabricantes dan como datos A d y CMRR (ésta, normalmente en db) Ejercicio: A un diferencial con A d =100 y CMRR = 10dB, se aplica una señal de entrada de 10mV con un ruido común de 500mV: Qué señales tenemos finalmente en la salida? Qué relación hay entre ambas? Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 7

28 5.1. Amplificadores diferenciales: ejercicio Ejercicio 1.38 (Malik) Se muestra el modelo para un amplificador diferencial con una fuente de señal doble. a) Cuáles son los alores de A d, RRMC, R d y R c? b) Halle la componente en modo diferencial de o c) Halle el componente en modo común de o d) Halle el alor de o e) Halle el nueo alor de o si la salida del amplificador se conecta a tierra a traés de una resistencia de carga de 800 Ω. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 8

29 5.. Par diferencial: análisis en gran señal. i C1 i C B Base de los amp. diferenciales A O E Funcionamiento: Análisis en gran señal (función de transferencia): Los transistores sólo deben funcionar en actia o corte. Si se saturasen, dejaría de funcionar como diferencial. Las salidas (colectores) han de conectarse de modo que se garantice la zona actia. i e e / V ( )/ V C1 S1 S1 BE1 T 1 A E T 1 S 1 S S i e e / V ( )/ V C S S BE T B E T Con Q 1 y Q iguales y a la misma T: V T1 kt q VT V T Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 9

30 5.. Par diferencial: análisis en gran señal. A i C1 i C B E i e C1 C S S ( )/ V i e A E T ( )/ V B E T O i i C1 C e e ( )/ V / V A B T D T Aplicando º lema de Kirchhoff (corrientes) en emisores: i i i i E1 E O C1 C despejando en función de i C1 queda... i i i e C1 O C O C1 D / V T 1 e O i C1 D / V T Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 30

31 5.. Función de transferencia. i C1 i C B i C A O i C i C1 E O / O 0 D Las f. de t. de transconductancia, i C =f ( D ), para ambas salidas son: -4V T -V T 0 V T 4V T e O i C1 D / V T 1 e O i C D / V T 1 Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 31

32 5.3. Amplificador diferencial básico, con R C. Diferencial básico, con resistores en colector. El montaje con V CC y R C permite pasar las corrientes i C a tensión y mantener los Q s en actia. Tres formas de obtener +V CC +V CC una tensión de salida: Salidas asimétricas i C1 O1 OD O i C O 1 VCC ic1 O VCC ic R R C C A E B Salida simétrica o diferencial O ) R OD O1 O ( ic ic1 C -V EE Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 3

33 5.3. Diferencial básico: salida diferencial. +V CC +V CC Obtención de la función de transferencia: OD = f ( A - B ) = f ( D ) A i C1 O1 O OD O E -V EE i C B i i OD O C C ( i i i C1 C1 1 C e i i i C C1 C O D / V T ) R C O D/ VT O 1 e D OD RC tanh D / V O RC O R T D / V C O T 1 e 1 e V T Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 33

34 5.3. Diferencial básico: salida diferencial. +V CC +V CC OD +R C O A i C1 O1 OD E O i C B -4V T -V T 0 0 V T 4V T D -R C O O -V EE D R tanh V T OD C O Ganancia en pequeña señal, en el mejor punto de trabajo (0,0): G d od d d d OD D (0,0) R C O V T R C V C T g m R C Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 34

35 5.3. Diferencial básico: polarización. V R CC C O O +V CC O V R CC C O El mejor punto de trabajo, por defecto, es el equilibrio: D = 0. Pero además, hay que garantizar el funcionamiento del diferencial. Con D =0 tiene que haber una tensión continua, CM, tal que Q 1 y Q estén en actia. CM E O Los alores álidos de esta CM determinan el margen de entrada en modo común. -V EE Estos límites son diferentes en cada circuito. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 35

36 5.3. Diferencial básico: polarización. Para el circuito de la figura: O +V CC O Límite superior marcado por la saturación de los transistores V R CC C CM O E V R CC C O CE CE E V CEsat C CM E V 0,V BE V CC O R C E O CM V CC O R C V BE V CEsat -V EE Límite inferior, marcado por O o CM E V V o min EE V BE CM V V EE BE V EE V o min Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 36

37 5.4. El diferencial en pequeña señal Conocido el punto de trabajo ( C = O /) se obtienen fácilmente los parámetros del diferencial en pequeña señal. Diferencial definido por: Z d, Z c, Z s, A d, A c, CMRR, etc. (er trp. 14) El análisis se simplifica, con técnicas específicas. Un ejemplo: +V CC Diferencial con R de emisor Esta R E proporciona mayor Z e y mayor margen lineal que el diferencial básico, a costa de menor ganancia. (Hambley, sección 7.5) O1 OD O Análisis genérico, para ambos modos (trp. ): d i1 i ( ) / c i1 i i1 R E O R E -V EE i Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 37

38 5.4. Modo diferencial En este modo se tiene: 0, 1 c i i d R E R E Modela la R interna de la fuente de corriente R O Por simetría, en J se tiene una masa irtual : V J = 0 REB = 0 Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 38

39 5.4. Análisis de semicircuito (m. diferencial) La simetría del problema permite una resolución rápida Análisis de semicircuito : se analiza una mitad y se identifican posteriormente los resultados con el modelo (trp. 14) Z r ( 1) R Z A i1 o1 d1 R C o 1 RC [ r ( 1) R ] id Atención: si se dan las condiciones adecuadas, A d sólo dependería de los resistores fijos: E E ( 1) R E R E masa irtual A r d1 RC RC ( 1) R R E 1 E Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 39

40 5.4. Modo común En este modo se tiene: i 1 i icm R E R E Para que al diidir por la mitad el circuito la V J quede igual, la R O ha de duplicarse. R O R O Por simetría, en J se tiene i J = 0 Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 40

41 5.4. Análisis de semicircuito (m. común) Análisis similar al caso diferencial Hay que prestar especial atención a combinar acertadamente los resultados parciales de semicircuito Z r ( 1)( R R ) Z A cm1 E O o1 cm1 R C o 1 RC r ( 1)( R R ) icm E O Efecto de la impedancia de O en señal R E R O En condiciones normales la R O de la fuente de corriente es muy alta: por tanto r es despreciable. Si además» A cm no depende de : A cm1 R E RC R O Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 41

42 5.4. Modelo del diferencial con R E Combinando adecuadamente los análisis de cada semicircuito: ( Z ) Z r ( 1) R d i1 E o1 ( Z ) Z r ( 1) R d i E + - A c c RC r ( 1)( R R ) E O c a ( Z d / ) + - A d d RC [ r ( 1) R ] E d b Z Z d cm 4 1 Z ( Zd / ) X Z X A d d A c c RC [ r ( 1) R ] RC r ( 1)( R R ) E E d O c Zcm [ r ( 1)( RE RO )] o Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 4

43 5.4. Modelo del diferencial básico Simplificación del anterior, eliminando R E (recordar que: g m r =) ( ) Zd Zi1 r o1 ( ) Zd Zi1 r + - A c c RC R O c a ( Z d / ) + - A d d gmr C d b Z Z d cm 4 Z ( Zd / ) X Z X A d d A c c gmr O C RC R c d Z cm r ( 1) R O o Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 43

44 5.5. Análisis del CMRR En un amplificador diferencial el CMRR es un factor de mérito Define la calidad del diferencial. Si la simetría del circuito fuera ideal El CMRR en salida diferencial sería infinito! Esto es así dado que se cancelan mutuamente ambas componentes comunes. En la práctica, hay diferencias y en consecuencia sí hay señal de salida. Sólo tiene sentido hablar del CMRR en salida asimétrica. En el diferencial básico (sin R E ): CMRR A d - una salida m C c - una salida C O g R / A R / ( R ) g R m O La calidad de un amplificador diferencial es directamente proporcional a la calidad (R O ) de su fuente de corriente. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 44

45 6. Diferencial con carga actia Carga actia: con dispositios D o Q Se utiliza un espejo que llea la corriente de Q 1 hasta la salida. Análisis simplificado en modo diferencial: identificando términos conocidos... d d io ic1 ic gm gm d d i O g m d a + d - o R r r O O O4 b Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 45

46 7. Ejemplos de amplificadores integrados Q1 y Q: amplificador diferencial con salida diferencial. Q3 y Q4: amplificador diferencial con salida asimétrica. Q5: amplificador emisor común. Q6: seguidor de emisor. Q7, Q8 y Q9: espejo de corriente doble Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 46

47 7. Ejercicio: de nueo con el 741 La mayoría de los bloques básicos acaban de estudiarse qué bloques puede identificar y qué función realizan? Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 47

48 Referencias Material de estudio: Hambley, capítulo 7. Malik, secciones: 6.7, 7.8.3, y 7.9.(-4) Sedra-Smith, capítulo 6, secciones Gráficas extraídas de los textos y secciones detallados. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 48

49 Control de reisiones : ersión inicial. Tecnología Electrónica C-5. Amplificadores Multietapa y Diferenciales - 49