Amplificadores Diferenciales. Electrónica Analógica II. BIOINGENIERIA

Transcripción

1 Amplificadores Diferenciales Electrónica Analógica II. BIOINGENIERIA

2 Contenido Generalidades Definiciones Cálculo de Ganancias Factor de Mérito Mejoras

3 Generalidades El AD discreto es la estructura básica de muchos circuitos integrados en particular de A.O. Es conocido como amplificador de acoplamiento directo o amplificador de CC. El nombre de diferencial, es porque amplifica la diferencia entre dos señales. Utiliza como elemento activo a transistores bipolares y FET.

4 Estructura Básica universal Considerando salida diferencial (V o2 -V o1 ) V o1 =Ad (V i2 - V i1) V o2 =Ad (V i1 - V i2) Siendo Ad la Ganancia Diferencial V o2 -V o1 = 2Ad (V i1 - V i2) Considerando salida única V o =V o1 =Ad (V i2 - V i1) La entrada correspondiente V i1 = V 1 será Inversora y V i2 = V 2 no inversora

5 Ganancias Diferencial y Ganancia de Modo Común Hasta ahora se ha supuesto que la salida depende solo de la tensión diferencial aplicada a la entrada. Sin embargo en AD real la salida también depende del umbral de tensión común a las dos entradas. La expresión general del valor de la salida será: Vo= Amd vemd+ Amc vemc Siendo Amc: Ganancia de modo común Amd: Ganancia de modo diferencial

6 Vemd : Tensión de modo diferencial y vale: Vemd= V2-V1 Vemc: Tensión de modo común y vale: Vemc= (V2+V1)/2 Es decir, despejando V1 y V2 de Vemd y Vemc Se puede expresar : V2= Vemc+ Vemd/2 V1= Vemc - Vemd/2 Las señales de entrada V1 y V2 se pueden esquematizar circuitalmente con el siguiente esquema

7 Esquema circuital de las señales de entrada

8 Consideraciones El AD se diseña para amplificar la diferencia de las señales de entrada y rechazar las señales de modo común. Siendo estas indeseables. La señal de modo común aparece con igual magnitud en ambas entrada, es decir está contenida en ambas entradas.

9 Ejemplo: Amplificador de ECG Los electrocardiógrafos deben amplificar señales diferenciales del orden de 1mV y rechazar señales de modo común de 50 Hz de varias decenas de volt.

10 Cálculo de Ganancias. Avmc Aplicamos Modo Común puro V1= V2 Vo= Avmd Vemd + Avmc Vemc Siendo Vemd=0 Avmc= Vo/V1 = Vo/V2

11 Cálculo de Ganancia de Modo Común En ca Vo ibhferc Avmc V1 ib[ hie (1 hfe)2re] RC 2RE

12 Cálculo de Ganancias. Avmd Aplicamos Modo diferencial puro V1=-V2 Vemc=0 Vemd= V2-V1=-2V1 Vo Vo Avmd Vemd 2V 1

13 Ganancia de Modo Diferencial Avmd Vo 2V 1 hfeibrc 2ibhie hferc 2hie En ca

14 Factor de Mérito Reemplazando los valores de Avmd y Avmc, resulta RRMC hfere hie

15 Mejoras en el AD discreto Impedancia de entrada al modo diferencial que ve la Vemd, resulta ser: Z entrada= 2 Zent de cada rama, es decir: Z entrada= 2hie

16 Mejoras en la Impedancia de entrada Es deseable que la Zentr al modo diferencial sea alta, y se puede mejorar de varias maneras. Incorporando resistencias en la base y el emisor

17 Ze 2[ Rb hie RE1(1 hfe)] Esta mejora de la impedancia trae como consecuencia una disminución de la ganancia de modo diferencial Linealiza la Avmd Avmd hferc hferc 2[ Rb hie (1 hfe) RE1] 2( Rb hfere 1)

18 Mejora en la impedancia de entrada Utilizando Transistores Darlington Una conexión muy popular de dos transistores de unión bipolar para operar como un transistor con superbeta es la conexión Darlington. La principal característica de la conexión Darlington es que el transistor compuesto actúa como una unidad simple con una ganancia de corriente que es el producto de las ganancias de corriente de los transistores individuales β D =β 2 Si la conexión se realiza mediante el uso de dos transistores distintos con ganancias de corriente de β1 y β2, la conexión Darlington proporcionará una ganancia de β D =β1. β2

19 Con Transistores del mismo Tipo

20 Con Transistores de distinto Tipo

21 Impedancia de entrada en Darlington Ze hie HFE 25mV 25mV ( hie 2 1 hfe1 1) hie2 hie1 hfe1 hie1 hfe1 2 HFE2I c1 Ic 1 1 Zentr 4hie MD

22 Mejora de la Z entrada Utilizar Transistores FET

23 Mejora en la RRMC Para que AD sea de calidad aceptable es necesario que la RRMC tenga como mínimo un valor de De acuerdo a la ecuación de RRMC hfere hie parecería que aumentando el valor de RE se logra aumentar la RRMC. Sin embargo esto no es así, pues si: RE, IC y en consecuencia IB y hie, no mejorando la RRMC. La manera es aumentar la RE sin modificar la corriente de reposo, por lo cual se utiliza otro circuito.

24 Mejora de la RRMC Un método común para incrementar el valor en ac de RE es utilizar un circuito de fuente de corriente constante. La resistencia vista desde el emisor es el de la fuente de corriente.

25 Análisis de la Resistencia de la FC Análisis en ca con parámetros híbridos ib( hie RB) ( is ib) RE 0 ib 1 hfeib V 2 is ( is ib) RE hoe hoe 1 hfe V 2 is( RE) ib( RE) hoe hoe 1 RE hfe V 2 is[ RE ( hoe ( hie RB RE) hoe isre ( hie Rb RE)] RE) 1 hoe Considerando RE>>RB+hie Rs (1 hfe)

26 Consideraciones generales Si se utiliza transistores Darlington, se aumenta considerablemente la Avmd y la RRMC. Reemplazando RC por fuentes de corrientes, también se aumenta la Avmd. El diseño de un AD discreto resulta muy complejo para que sea de buena calidad (desequilibrio entre características de los transistores, compensación térmica, etc). Por ese motivo se utiliza las técnicas de los CI. Donde las características y las variaciones térmicas son muy similares dado que se hayan muy próximos y en un mismo sustrato.

27 Consideraciones generales Las unidades comercialmente disponibles también utilizan transistores JFET y MOSFET para construir este tipo de circuitos. Al circuito integrado (CI) que contiene un AD construido con FET (en las entradas) y transistores bipolares (Bi)(en la FC), se le conoce como BIFET. Un CI construido con transistores, tanto por Bi y MOSFET se le conoce como BiMOS Al circuito construido por medio de transistores MOSFET de tipo complementario se le denomina circuito CMOS.

28 Configuraciones circuitales