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Informe laboratorio Amplificador DiferencialTRANSCRIPT
PRACTICA 6
EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
EDISON VALBUENA MORENO
20122005034
ANDRÉS MONTERO CANIZALES
20132005129
LUIS HERNAN LEGUIZAMO MUÑOZ
20132005171
PROFESOR
JOSE HUGO CASTELLANOS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENÍERIA
ELECTRONICA II - LABORATORIO
BOGOTA DC
2015
1. OBJETIVOS
Analizar el funcionamiento de un amplificador diferencial teniendo en cuenta las ganancias diferenciales y de modo común.
Observar los efectos de polarizar por medio de un espejo de corriente un amplificador diferencial.
Identificar el efecto que produce introducir una carga activa al amplificador diferencial.
Reconocer la importancia de utilizar transistores de un mismo circuito integrado para implementar un amplificador diferencial con espejo de corriente y cargas activas.
2. INTRODUCCION
El Amplificador diferencial se caracteriza por presentar dos transistores idénticos con similares características, tanto internas como de las redes de polarización. Ya que el circuito dispone dos entradas y dos salidas de señal, existen cuatro configuraciones posibles realizando las distintas combinaciones entre entradas y salida. Tiene dos modos básicos de trabajo los cuales son:
Modo Común. Consideremos que las dos tensiones V1 y V2 aumentan en v/2. La tensión diferencial Vd permanece nula mientras que Ic1 e Ic2 son iguales. No obstante la tensión VE aumenta. Por lo tanto la ganancia de esta etapa es notablemente mayor en el funcionamiento como modo diferencial que como modo común.
Modo Diferencial. Para V1=V2 y suponiendo F>>1, las corrientes de colector y emisor de cada etapa son iguales. Todas estas corrientes tienen magnitudes iguales a IE/2 debido a la simetría del circuito y a la despreciable corriente que circula por RE. Si incrementamos V1 en v/2 y simultáneamente disminuimos V2 en v/2, la señal de salida aumenta en v.
3. MARCO TEÓRICO
El amplificador diferencial constituye la etapa de entrada más típica de la mayoría de los amplificadores operacionales y comparadores, siendo además el elemento básico de las puertas digitales de la familia lógica ECL. Uno de sus aspectos más importantes es su simetría, por ello, los transistores Q1 y Q2 deben ser idénticos, lo cual un circuito integrado (ca3086) nos proporciona.
El circuito del amplificador diferencial es una conexión de muy grande aceptación y uso en unidades de circuitos integrados. Esta conexión se puede describir considerando el amplificador diferencial básico mostrado en la figura 1. Observe que el circuito cuenta con dos entradas y dos salidas distintas, y que los emisores están conectados entre sí. Si bien la mayoría de los circuitos de amplificador utilizan dos fuentes de voltaje distintas, el circuito también puede operar con una sola fuente.
Figura 1.Circuito del amplificador diferencial básico.
La ganancia en tensión en modo diferencial de este amplificador es
Figura 2. Modelo a pequeña señal Amplificador diferencial
La ganancia en modo común debido a una resistencia equivalente de 2RE:
Figura 3. Modelo pequeña señal modo común
Un amplificador diferencial ideal tiene una tensión de salida proporcional a vid y no depende del componente en modo común (Ac=0). En la práctica no sucede así y para medir esa desviación se introduce el concepto de relación de rechazo en modo común CMRR y se define como la relación entre la ganancia en modo diferencial y modo común: CMRR= (Ad/Ac)
Figura 4. Amplificador diferencial con carga activa y curva característica
4. CÁLCULOS TEÓRICOS Y DISEÑO
Para un VCC=24v y un ICQ=0,5 mA
Características CA3086 tomadas del datasheet hfe: 100
Polarización:
Rc= 8V0.5mA
=16K Ωluego :2ℜ=16 k ℜ=8k Ω
12=IbRb+Vbe+8V →4V= Ichfe
Rb+Vbe
3.3= Ichfe
Rb → Rb=3.3∗hfe0.5mA
finalmente :Rb=660 kΩ
hfe=100 I CQ=0.5mA RC=16kΩ Re=8kΩ Rb=660kΩ
hie=26mV ( hfeI CQ
)=5.2k Ω RL=100kΩV g=2mV Rg=50Ω
Para obtener la ganancia diferencial ( A¿¿ d)¿, se hace una malla de voltaje:
V g−I b1 (hie+Rg )+ I b2 (hie )=0 ; I b1=−I b2 porque estan encontrafase
V g−I b1 (hie+Rg )−I b1 (hie )=0dedonde obtenemos I b1=V g
2hie+Rg
I C=−hfe(I ¿¿b)→ I C=−hfe (V g )2hie+Rg
;V 0=−hfe (V g )2hie+Rg
.( RC RL
RC+RL)¿
Av1=
−hfe( RC RL
RC+RL)
2hie+Rg
→ Av 1=−131.991
Av1=
−hfe( RC RL
RC+RL)
2hie+Rg
→ Av 1=−131.991
Av2=
hfe( RC RL
RC+RL)
2hie+Rg
→ Av 2=131.991
Ad=Av1−Av 2=−263.983 (balanceada)
Para obtener la ganancia común ( A¿¿ c)¿, se hace:
I b=V g
hie+Rg+ (hfe+1 )2ℜ
V 0=−hfe ( I b ) ( RC RL
RC+RL)entonces :ACv1=
V 0
V g
→ ACv 1=
−hfe( RC RL
RC+ RL)
hie+Rg+(hfe+1 )2ℜ
La señal de entrada en modo común es la misma en las bases: ACv1=−0.86 y ACv2=ACv1
Ac=ACv1+ ACv2=−1.71
Finalmente:
CMRR=Ad
A c=155.2
Utilizando un espejo de corriente para polarización
Tomando del Datasheet, para 0.5mA: hoe=9.3610−6mho y ro=
1hoe
=106.84 kΩ
ACv11=
−hfe( RC RL
RC+RL)
hie+Rg+ (hfe+1 )2 ro
→ ACv11=−0.064
ACv22=ACv11d onde AC 2=ACv 11+ACv22=−0.128
El valor de la ganancia diferencial se mantiene constante, con lo cual:
CMRR 2=Ad
A c2=2.066∗103
Colocando un espejo de corriente como carga activa, Rc es reemplazada por la impedancia de salida del espejo de corriente
hoec=25.10−6S yroc=1
hoec=40 kΩ parametros tomados del Datasheet
ACv13=
−hfe( roc RL
r oc+RL)
2hie+Rg
→ ACv13=−276.411
ACv23=
hfe( roc RL
r oc+RL)
2hie+Rg
→ ACv13=273.411
Ad 3=ACv13−ACv23=−546.822
Ac 3=ACv13+ ACv23=−0.265
CMRR 3=Ad 3
A c3=2.066∗103
Circuito:
Amplificador Diferencial Basico Amplificador Diferencial Con Espejo de Corriente
Q11
2N2222*
Q12
2N2222*
R218kΩ
VCC12V
VEE-12V
R2216kΩ
R2316kΩ
R24660kΩ
R25660kΩ
Q13
2N2222*
Q142N2222*
VCC12V
VCC
12V
R2616kΩ
R2716kΩ
R28660kΩ
R29660kΩ
C710µF
R30
22.2kΩ Q15
2N2222*
Q16
2N2222*VEE
-12V
Amplificador Diferencial en el integrado LM723
Q1
2N2222*
Q22N2222*
VCC12V
VCC
12V
R3660kΩ
R4660kΩ
C510µF
R5
22.2kΩ Q7
2N2222*
Q8
2N2222*VEE
-12V
Q9
2N3906
Q10
2N3906
Q17
2N3906
Q18
2N3906 R1
22.2kΩ
R2
22.2kΩ
VEE-12V
VEE-12V
5. SIMULACIÓN
Circuito Desbalanceado
Circuito Balanceado
6. DESARROLLO DELA GUIA PASO A PASO
1. Verificar la conexión de los instrumentos de trabajo de laboratorio y montar los circuitos correspondientes en protoboard, con el uso del integrado ca3086, transistores y resistencias, con condiciones (Icq = 0.5ma y V=24v) y verificar correcta polarización
Los valores obtenidos para la polarización de esta configuración en par Cascode fueron los siguientes:
hfe=100 I CQ=0.5mA RC=16kΩ Re=8kΩ Rb=660kΩ
hie=26mV ( hfeI CQ
)=5.2kΩ RL=100kΩ
Ver Cálculos y Diseños teóricos, valores de polarización.
2. Aplicar Vi=Vpsen(wt ) a base 1, con base 2 a tierra AC (Utilizar un condensador) Obtener Ad
Medida Av1
Teórica Av1 Error
Medida Av2
Teórica Av2 Error Medida Teór Error
0,096 -2,64 2,86 -27,50 -131,99 79,17 29,79 131,99 77,43 -57,29 -263,98 78,30
Ad BalanceadaAd DesbalanceadaVi (V) Vo1 (V) Vo2 (V)
3. Aplicar en ambas entradas vi=Vpsen(wt ). Obtener Ac y el CMRR
Medida Av1
Teórica Av1 Error
Medida Av2
Teórica Av2 Error Medida Teór Error
2,2 -1,88 -1,92 -0,85 -0,85 0,42 -0,87 -0,85 2,55 -1,73 -1,70 1,48
Vi (V) Vo1 (V) Vo2 (V)
Ac Desbalanceada Ac Balanceada
CMRRmedid
oteórico error
83.169 155.100 46.04%
4. Cambiar Re por una fuente de corriente constante (utilizar espejo de corriente básico) para las mismas condiciones del paso 1. Repetir pasos 2 y 3. Con estos resultados comparar los CMRR
Medida Av1
Teórica Av1 Error
Medida Av2
Teórica Av2 Error Medida Teór Error
0,148 -4,56 4,12 -30,81 -131,99 76,66 27,84 131,99 78,91 -58,65 -263,98 77,78
Vi (V) Vo1 (V) Vo2 (V)
Ad Desbalanceada Ad Balanceada
Medida Av1
Teórica Av1 Error
Medida Av2
Teórica Av2 Error Medida Teór Error
5,68 -1,6 -1,64 -0,28 -0,06 340,14 -0,29 -0,06 351,14 -0,57 -0,13 345,64
Vi (V) Vo1 (V) Vo2 (V)
Ac Desbalanceada Ac Balanceada
medido teorico error102,82 2062,34 95,01
CMRR
medido teoricofactor relacion 3,10 13,30
5. Cambiar Rc por una carga activa, utilizando espejo de corriente ( usando transistores PNP con características similares a los del arreglo CA3086), obtener la Ad y comparar con la obtenida en paso 2, comentar y concluir
Medida Av1Teórica Av1 Error
Medida Av2
Teórica Av2 Error Medida Teór Error
0,086 -3,91 3,84 -45,47 -273,41 83,37 44,65 273,40 83,67 -90,12 -546,82 83,52
Vi (V) Vo1 (V) Vo2 (V)
Ad Desbalanceada Ad Balanceada
Medida Av1Teórica Av1 Error
Medida Av2
Teórica Av2 Error Medida Teór Error
3,65 -1,74 -1,65 -0,48 -0,13 261,15 -0,45 -0,13 242,47 -0,93 -0,26 251,81
Vi (V) Vo1 (V) Vo2 (V)
Ac Desbalanceada Ac Balanceada
6. Utilizando un amplificador diferencial constitutivo de un mismo microcircuito (circuito integrado LM723), obtener Ac, Ad y el CMRR (Vcc=+/- 12 v) y comparar con lo obtenido en el paso 5, ¿cual muestra mejores resultados? Explicar
Ad Balanceada
Medida Av1 Medida Av2 Medida
0,056 -8 7,76 -142,86 138,57 -281,43
Vi (V) Vo1 (V) Vo2 (V)Ad Desbalanceada
AC Balanceada
Medida Av1 Medida Av2 Medida
5,32 -0,34 -0,34 -0,06 -0,06 -0,13
Vi (V) Vo1 (V) Vo2 (V)AC Desbalanceada
CMRR 3medido
2201,76
LM723 Punto 5 factor LM723 Punto 5 factor LM723 Punto 5 factor-281,43 -90,12 3,12284 -0,13 -0,26 0,5 2201,76 97,03 22,692041
Ac cmrrAd
7. IMÁGENES OSCILOSCOPIO
Ganancia diferencial punto 2 Ganancia común punto 2
Ganancia diferencial con espejo de corriente Ganancia común con espejo de corriente
Ganancia diferencia LM723 Ganancia común LM723
8. ANÁLISIS DE DATOS
Al implementar un espejo de corriente básico en remplazo de la resistencia de emisor del amplificador diferencial, se presenta una disminución del factor de rechazo de modo común (CMRR) en un factor de aproximadamente 3 en la práctica y de aproximadamente 13 teóricamente.
En el LM723, se presenta una ganancia diferencial mayor y una ganancia en modo común menor, esto se ve reflejado en el CMRR que aumenta en un factor de 22 veces.
Se observa como la ganancia de modo diferencial aumenta cuando las resistencias de colectores son cambiadas por cargas activas en una relación de 1,5 aproximadamente, pero esto se ve contrarrestado por un aumento de la ganancia de modo común en un factor de 1,6 aproximadamente con lo cual el CMRR se mantiene comparativamente igual en la práctica.
9. CONCLUSIONES
Cuando se implementa un espejo de corriente en cambio de la resistencia de emisor se produce un aumento de CMRR debido a que se remplaza la impedancia vista en el emisor por la impedancia de salida del espejo de corriente, esto minimizando la ganancia común.
Utilizando el amplificador diferencial contenido en el circuito integrado LM723 se obtiene un mejor desempeño medido por el CMRR debido a que en este circuito integrado se usa una carga activa y un espejo de corriente, con esto la impedancia se incrementa y es más estable por el hecho de que se encuentra dentro del mismo microcircuito.
Al implementar una carga activa los valores de CMRR aumentan ligeramente puesto que tanto la ganancia diferencial como la ganancia común aumentan, aun así en la práctica este amplificador diferencial presenta un mejor desempeño dado que su impedancia de salida es más alta y la ganancia diferencial aumenta.
Las tablas que se trataron de hacer en el punto 6, Desarrollo de la guía paso por paso, indican que la relación entre los CMRR medidos y cálculos poseen un porcentaje de error grande que esta entre el 50% y el 90%, en cambio al variar el tipo de carga o polarización por espejo de corriente no son muchos los cambios que se tiene entre las ganancias comunes y diferenciales ver 4, Cálculos teóricos y Diseño.
10. BIBLIOGRAFÍA
Electrónica básica para ingenieros, Gustavo Ruiz Circuitos Microelectrónicos, Rashid&Thompson Circuitos Microelectrónicos, Sedra Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, Robert Boylestad
11. ANEXOS