laboratorio 6 (amplificador diferencial)

LABORATORIO 5EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

JUAN DAVID JAIQUEL VILLAMIL - 20102005058 e-mail: jdjvillamil@hotmail.com

LINA MARÍA TOQUICA RAMÍREZ - 20102005082e-mail: linastars_35@hotmail.com

EDWIN YARA SANDOVAL - 20102005042e-mail: eduin_ya_sand@hotmail.com

INTRODUCCION

Con este laboratorio se quiere conocer el funcionamiento de un amplificador multietapa visto en clase

denominado amplificador diferencial, en el cual estudiaremos la ganancia diferencial y la ganancia común, a

través de salidas asimétricas y simétricas, estudiando también el efecto que introduce la aplicación de un

espejo de corriente en vez de la resistencia de emisor y una carga activa en vez de las resistencias de

colector.

OBJETIVOS

- Diseñar un amplificador diferencial aplicando los conceptos vistos en clase.

- Estudiar el resultado de incluir un espejo de corriente y una carga activa con respecto a la ganancia

diferencial y a la ganancia común del amplificador.

MARCO TEÓRICO

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL:

El amplificador diferencial es un circuito que constituye parte fundamental de muchos amplificadores y de

comparadores. Uno de sus aspectos más importantes es su simetría que le confiere unas características muy

especiales de análisis y diseño, por esto los transistores deben ser idénticos, lo cual se logra únicamente

cuando estos están en un CI.

FACULTAD DE INGENIERIAPROYECTO CURRICULAR INGENIERIA ELECTRONICAPROYECTO CURRICULAR INGENIERIA ELECTRONICA

ELECTRÓNICA II OCTUBRE 22 DE 2012

Análisis en DC:

En el caso de V i1 y V i2 sean componentes de pequeña señal, y suponiendo que hFE≫1 entonces se

puede extraer del circuito la siguiente ecuación:

0=V BE+( I E1+ I E2 )RE−V CC

La simetría del circuito y el hecho de que Q1 y Q2 son transistores idénticos hace que IE1=I E2=IE3 de

forma que:

IE=IC=V CC−V BE

2 RE

La ecuación de la recta estática se obtiene aplicando LVK a la malla de colector-emisor de los transistores:

2V CC=V CE+ IC (RC+2 RE)

La máxima amplitud de salida se consigue cuando V CEQ=V CC .

Análisis de las configuraciones de ganancia común y ganancia diferencial:

La simetría del amplificador diferencial permite simplificar su análisis convirtiendo las tensiones de entrada en

tensiones de entrada común y diferencial. La tensión de entrada en modo diferencial (V id) y modo común (Vic)

se definen como:

TENSION DIFERENCIAL TENSION COMUN

V d=V 1−V 2 V C=V 1+V 2

2

Ad=A1−A2 AC=A1+A2

Vsal=AdV d+AcV c

Las señales comunes se minimizan pues no deberían afectar el voltaje de salida.

Ganancia diferencial:

SALIDA SIMETRICA SALIDA ASIMETRICA

Ad=hfeRchie

Ad=−hfeRc2hie

AC=−Rcℜ AC=

−Rc2ℜ

RELACIÓN DE RECHAZO EN MODO COMÚN:

Un amplificador diferencial tiene una tensión de salida proporcional a V id y no depende de la componente en

modo común (AC = 0). En la práctica no sucede así por esto se introduce el concepto de CMRR (relación de

rechazo en modo común) donde está definida por:

CMRR=Ad

Ac

En este tipo de amplificador para minimizar la ganancia común se usa en vez de la resistencia de emisor un

espejo de corriente y para aumentar la ganancia diferencial utilizamos en vez de las resistencias en el colector

un espejo de corriente como carga activa.

DESARROLLO EXPERIMENTAL:

Se polariza el amplificador diferencial para una ICQ =1mA según la hoja de datos, lo cual indica que el hfe es

de 100 y el hie de 3500Ω. El Vcc utilizado es de 9V de tal forma que la alimentación total Vcc es de 18V.

El criterio inicial para el diseño es: V RC=Vℜ=V CE=6V

Así Rc puede calcularse de la siguiente forma:

Rc=V RC

ICQ= 6V1mA

=6K Ω≈5,6K Ω

Ahora:

RE=V ℜ

2 ICQ= 62 (1mA )

=3KΩ≈3,3KΩ

RB=V RB

IB=

−V BE+V ℜ−V CC

Ichfe

=−0,7+6−91mA100

=230KΩ≈220K Ω

El circuito queda de la siguiente manera:

a. Aplicar Vi=Vpsen(wt) a base 1, con base 2 a tierra AC, obtener Ad: Para la ganancia simétrica o balanceada se tiene que:

Ad=−hfeRchie

=−100 (5,6K )

3500=−160

Para la ganancia asimétrica o desbalanceada se tiene que:

Ad=−hfeRc2hie

=100 (5,6K )7000

=−80

b. Aplicar en ambas entradas Vi=Vpsen(wt). Obtener Ac y el CMRR:

Para la ganancia simétrica o balanceada se tiene que:

Ac=−Rcℜ =5,6K

3500=−1,6

CMRR= AdAc

=−160−1,6

=100

Para la ganancia asimétrica o desbalanceada se tiene que:

Ac=−Rc2ℜ

=5,6K7000

=−0,8

CMRR= AdAc

= −80−0.8

=100

c. Cambiar RE por un espejo de corriente, y realizar los pasos 2 y 3:

Para calcular la resistencia del espejo de corriente se tiene que:

ICQ=Vc c−V BE

Rx

Rx=Vcc−V BE

ICQ=9−0,71mA

=8300Ω≈8,2K Ω

La resistencia en un espejo de corriente está dada por:

Ro= 1hoe

= 115,6 μS

=64K

Ro=ℜ Para la ganancia simétrica o balanceada se tiene que:

Ad=−hfeRchie

=−100 (5,6K )

3500=−160

Ac=−Rcℜ =5,6K

64K=−0,08

CMRR= AdAc

= −160−0,08

=1839,08

Para la ganancia asimétrica o desbalanceada se tiene que:

Ad=−hfeRc2hie

=100 (5,6K )7000

=−80

Ac=−Rc2ℜ

= 5,6K2 (64K )

=−0,043

CMRR= AdAc

= −80−0.043

=1828,57

d. Cambiar Rc por una carga activa utilizando espejo de corriente, obtener Ad y comparar la obtenida en paso 2, comentar y concluir.Para la carga activa utilizamos un transistor 2N3906:

Para calcular la resistencia del espejo de corriente se tiene que:

ICQ=Vcc−V BE

Rx

Rx=Vcc−V BE

ICQ=9−0,71mA

=8300Ω≈8,2K Ω

La resistencia en un espejo de corriente como RE está dada por:

Ro= 1hoe

= 115,6 μS

=64K

Ro=ℜ

La resistencia en un espejo de corriente para carga activa como Rc está dada por:

Ro= 1hoe

= 140μS

=25K Ω

Ro=Rc Para la ganancia simétrica o balanceada se tiene que:

Ad=−hfeRchie

=−100 (25K )3500

=−714,28

Ac=−Rcℜ =25K

64K=−0,39

CMRR= AdAc

=−714,28−0,39

=1831,48

Para la ganancia asimétrica o desbalanceada se tiene que:

Ad=−hfeRc2hie

=100 (25K )7000

=−357,14

Ac=−Rc2ℜ

= 25K2 (64K )

=−0,19

CMRR= AdAc

=−357,14−0,19

=1879,68

RECOLECCION Y ANÁLISIS DE DATOS:

a. Vbase1=Vpsen (wt )Vbase2=0V o=Ad ¿V i=54,81∗200mV=10,82

Vi Vo1 Vo2 Ad balanceadaMedida Teórica

200mV 10,82 -10,82 54,1 -160

Vi Vo1 Vo2 Ad desbalanceadaMedida Teórica

200mV 5,45 5,32 27,25 -80

b. Vbase1=Vpsen (wt )Vbase2=Vpsen (wt )V o=AC ¿V i=0,021∗200mV=4,29mV

Vi Vo1 Vo2 Ac balanceadaMedida Teórica

200mV 4,29mV -4,29mV 0,021 -1,6

Vi Vo1 Vo2 Ac desbalanceadaMedida Teórica

200mV 197,17mV 197,1mV 0,98 -0,8

CMRR(Balanceada)Teórico Práctico

100 2576,19

CMRR(Desbalanceada)Teórico Práctico

100 27,80

c. Amplificador diferencial con espejo de corriente como RE: Vbase1=Vpsen (wt )Vbase2=0

V o=Ad ¿V i=56,84∗200mV=11,28V

Vi Vo1 Vo2 Ad balanceadaMedida Teórica

200mV 11,28 -11,28 56,28 -160

Vi Vo1 Vo2 Ad desbalanceadaMedida Teórica

200mV 5,62 5,62 28,1 -80

Vbase1=Vpsen (wt )Vbase2=Vpsen (wt )

V o=AC ¿V i=0,01∗200mV=3,22mV

Vi Vo1 Vo2 Ac balanceadaMedida Teórica

200mV 3,22mV -3,22mV 0,01 -0,08

Vi Vo1 Vo2 Ac desbalanceadaMedida Teórica

200mV 1,68mV 1,67mV 0,008 -0,04

CMRR(Balanceada)Teórico Práctico1839,08 5628

CMRR(Desbalanceada)Teórico Práctico1828,57 3512,5

d. Amplificador diferencial con espejos de corriente en RE y en RC: Vbase1=Vpsen (wt )Vbase2=0

V o=Ad ¿V i=56,84∗200mV=11,28V

Vi Vo1 Vo2 Ad balanceadaMedida Teórica

200mV 12,56 -12,56 62,8 -714,28

Vi Vo1 Vo2 Ad desbalanceadaMedida Teórica

200mV 6,09 6,09 30,45 -357,14

CONCLUSIONES

- Cuando se implementa el espejo de corriente en vez de la resistencia de emisor se nota un incremento en el CMRR, debido a que se aumenta la impedancia vista por el emisor, ya que el espejo de corriente tiene una impedancia de salida alta, reduciendo así la ganancia común del amplificador.

- Al implementar una carga activa notamos un pequeño aumento en la ganancia diferencial y en la ganancia común lo cual hace que el CMRR se mantenga muy parecido al amplificador utilizando solo un espejo de corriente.

BIBLIOGRAFIA

- http://www.slideshare.net/Volta/tema-7amplificador-diferencial-presentation- Circuitos microelectrónicos, 4ta edición-Adel S. Sedra & Kenneth C. Smith

ANEXOS

Vi=rojoVo=azul

Ganancia diferencial simétricaSeñal de entrada 0,2VSeñal de salida 10,81V

Ganancia diferencial asimétricaSeñal de entrada 0,2VSeñal de salida 5,33V

Ganancia Común balanceada

Señal de entrada 0,2VSeñal de salida 4,29mV

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL CON ESPEJO DE CORRIENTE EN RE: Ganancia diferencial balanceada:

Ganancia diferencial desbalanceada

Ganancia común balanceada:

Ganancia común desbalanceada

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL CON ESPEJOS DE CORRIENTE COMO RE Y Rc:

Ganancia diferencial balanceada:

Ganancia diferencial desbalanceada: