En este tutorial, aprenderemos sobre uno de los circuitos importantes en el diseño de circuitos analógicos: un Amplificador Diferencial. Es esencialmente un amplificador electrónico, que tiene dos entradas y amplifica la diferencia entre esos dos voltajes de entrada.
El Amplificador Operativo es internamente un Amplificador Diferencial con características como Alta Impedancia de Entrada, Baja Impedancia de Salida, etc. Para más información sobre el Op-Amp, lea «Conceptos básicos sobre el amplificador operacional».
Resumen
Introducción
El par diferencial o la configuración del amplificador diferencial es un bloque de construcción muy utilizado en el diseño de circuitos integrados analógicos. Es la etapa de entrada de todo amplificador operacional, prácticamente.
Un amplificador diferencial o amplificador diferencial amplifica la diferencia entre las dos señales de entrada. Un amplificador operacional es un amplificador diferencial; tiene una entrada inversora y una entrada no inversora. Pero la ganancia de tensión en lazo abierto de un amplificador operacional es demasiado alta (idealmente infinita), para ser utilizada sin una conexión de realimentación.
Así que, un amplificador diferencial práctico utiliza una conexión de realimentación negativa para controlar la ganancia de tensión del amplificador.
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Amplificador diferencial
El amplificador diferencial mostrado en el circuito anterior es una combinación de amplificadores inversores y no inversores. Si el terminal no inversor está conectado a tierra, el circuito funciona como un amplificador inversor y la señal de entrada V1 es amplificada por – (R3 / R1).
De forma similar, si el terminal de entrada inversor está conectado a tierra, el circuito se comporta como un amplificador no inversor. Con el terminal de entrada inversor conectado a tierra, R3 y R1 funcionan como los componentes de retroalimentación de un amplificador no inversor.
La entrada V2 se divide potencialmente a través de las resistencias R2 y R4 para dar VR4, y luego VR4 se amplifica por (R3 + R1) / R1.
Con V2 = 0,
VO1 = -(R3 / R1) * V1
Con V1 = 0,
VR4 = {R4/(R2+R4)}*V2
y
VO2 = {(R1+R3)/R1}*VR4
Por tanto,
VO2 = {(R1 + R3) / R1} * {R4 / (R2 + R4) } * V2
Si las resistencias de entrada se eligen de forma que, R2 = R1 y R4 = R3, entonces
VO2 = {R3 / R1} * V2 * V2
Ahora, según el principio de superposición si las dos señales de entrada V1 y V2 están presentes, entonces la tensión de salida es
VO = VO1 + VO2
= {-(R3 / R1) * V1} + {R3 / R1} * V2 * V2
Lo que resulta en,
VO = (R3 / R1) * {V2 – V1}
Cuando las resistencias R3 y R1 son del mismo valor, la salida es la diferencia directa de las tensiones de entrada aplicadas. Seleccionando R3 mayor que R1, la salida puede ser una versión amplificada de la diferencia de las tensiones de entrada.
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Resistencia de entrada
Un problema al seleccionar las resistencias del amplificador de diferencia como R2 = R1 y R3 = R4 es que las resistencias de entrada para el amplificador inversor y el amplificador noamplificador inversor son desiguales.
La resistencia de entrada para la tensión V1 es R1 como en el caso de un amplificador inversor. Para la entrada no inversora, es decir, para la tensión de entrada V2, la resistencia de entrada es (R2 + R4).
Esta diferencia en las resistencias de entrada hace que una de las señales de entrada esté más amplificada que la otra.
La ecuación de salida del amplificador diferencial VO, puede obtenerse haciendo que la relación R4 / R2 sea la misma que R3 / R1, en lugar de hacer que R2 = R1 y R4 = R3.
La diferencia de resistencias de entrada no causará ningún problema si las resistencias de la fuente de la señal son mucho más pequeñas que las resistencias de entrada. Además, suele ser deseable que R2 = R1 y R4 = R3, para minimizar las tensiones de offset de entrada.
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Ganancia diferencial
La ganancia diferencial de un amplificador diferencial se define como la ganancia obtenida en la señal de salida respecto a la diferencia de las señales de entrada aplicadas.
La tensión de salida de un amplificador diferencial viene dada como,
VO = AD (V1 – V2)
donde, AD = – (R3 / R1) es la ganancia diferencial del amplificador.
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Entrada en modo común
Un amplificador diferencial amplifica la diferencia entre las dos tensiones de entrada. Idealmente, una entrada de modo común Vcm haría que las entradas (V1 + Vcm) y (V2 + Vcm), lo que dará lugar a que Vcm se anule cuando se amplifique la diferencia de las dos tensiones de entrada.
Dado que la salida de un amplificador diferencial práctico depende de la relación de las resistencias de entrada, si estas relaciones de resistencias no son exactamente iguales, entonces una tensión de entrada se amplifica en una cantidad mayor que la otra entrada.
Consecuentemente, la tensión de modo común Vcm no se anulará completamente. Debido a que es prácticamente imposible igualar perfectamente las relaciones de las resistencias, es probable que haya alguna tensión de salida de modo común.
Con la tensión de entrada en modo común presente, la tensión de salida del amplificador diferencial viene dada como,
VO = AdVd + Ac Vc
Donde Vd = la tensión diferencial V1-V2
Vc = la tensión de modo común (V1+V2)/2
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Relación de rechazo de modo común (CMRR)
La capacidad de un amplificador diferencial para rechazar las señales de entrada de modo común se expresa en términos de relación de rechazo de modo común (CMRR). La relación de rechazo de modo común de un amplificador diferencial se da matemáticamente como la relación entre la ganancia de tensión diferencial del amplificador diferencial y su ganancia de modo común.
CMRR = | Ad / Ac|
Idealmente, la ganancia de tensión de modo común de un amplificador diferencial es cero. Por lo tanto, la CMRR es idealmente infinita.
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Características de un amplificador diferencial
- Alta ganancia de tensión diferencial
- Baja ganancia de modo común
- Alta impedancia de entrada
- Baja impedancia de salida
- Cuántas veces se ha dicho que un amplificador diferencial es un amplificador de modo común.
- Alta CMRR
- Gran ancho de banda
- Bajas tensiones y corrientes de offset
- Un amplificador diferencial también conocido como amplificador diferencial es una útil configuración de op-amp que amplifica la diferencia entre las tensiones de entrada aplicadas.
- Un amplificador diferencial es una combinación de amplificadores inversores y no inversores. Utiliza una conexión de retroalimentación negativa para controlar la ganancia de tensión diferencial.
- La ganancia de tensión diferencial del amplificador depende de la relación de las resistencias de entrada. Por lo tanto, eligiendo cuidadosamente las resistencias de entrada, es posible controlar con precisión la ganancia del amplificador diferencial.
- La ganancia en modo común de un amplificador diferencial es idealmente cero. Pero debido al desajuste en los valores de las resistencias, habrá una tensión de salida en modo común muy pequeña y una ganancia en modo común finita.
- Modificando adecuadamente las conexiones de las resistencias en los terminales de entrada, se puede hacer que un amplificador diferencial sume, reste y compare los niveles de tensión de entrada aplicados.
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Amplificador diferencial como comparador
Un circuito de amplificador diferencial es un op-circuito de amplificador, ya que puede configurarse para «sumar» o «restar» las tensiones de entrada, añadiendo convenientemente más resistencias en paralelo con las de entrada.
El diseño de un circuito amplificador diferencial de puente de Wheatstone es el que se muestra en la figura anterior. Este circuito se comporta como un comparador de voltaje diferencial.
Conectando una entrada a un voltaje fijo y la otra a un termistor (o a una resistencia dependiente de la luz), el circuito amplificador diferencial detecta niveles altos o bajos de temperatura (o de intensidad de la luz) ya que el voltaje de salida se convierte en una función lineal de los cambios en la pata activa de la red del puente resistivo.
Un amplificador diferencial de puente Wheatstone también puede utilizarse para encontrar la resistencia desconocida en la red del puente resistivo, comparando los voltajes de entrada a través de las resistencias.
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Interruptor activado por luz utilizando un amplificador diferencial
El circuito mostrado en la figura anterior actúa como un interruptor dependiente de la luz, que enciende o apaga el relé de salida a medida que la intensidad de la luz que incide sobre la resistencia dependiente de la luz (LDR) supera o cae por debajo de un valor preestablecido en el terminal de entrada no inversor V2.
La tensión V2 está determinada por la resistencia variable VR1. Las resistencias R1 y R2 actúan como una red divisora de potencial. Una tensión de referencia fija se aplica a la entrada inversora, a través de R1 y R2.
El mismo circuito puede ser modificado para detectar variaciones de temperatura, simplemente sustituyendo la LDR por un Termistor. Intercambiando las posiciones de la LDR y el VR1, se puede hacer que el circuito detecte oscuridad o luz (o calor o frío con el uso de un termistor).
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Ejemplo de amplificador diferencial
Determine la tensión de salida de un amplificador diferencial para las tensiones de entrada de 300µV y 240µV. La ganancia diferencial del amplificador es 5000 y el valor de la CMRR es (i) 100 y (ii) 105
El amplificador diferencial para los datos dados se representa como se muestra en la figura.
i) CMRR = Ad / Ac
100 =5000 / Ac
Ac = 50
Vd = V1 – V2 = 300µV – 240µV = 60µV
Vc = (V1 + V2)/2 = 540µV / 2 = 270 µV
VO = Ad Vd + Ac Vc
= µV
VO = 313500 µV = 313.500 mV
ii) CMRR = 105
Ac = Ad / CMRR = 5000 / 105 = 0.05
VO = AdVd + Ac Vc = µV
VO = 300013.5 µV
Nota: Idealmente, Ac es cero. Por lo tanto, la salida es sólo AdVd, lo que resulta en VO = 5000 x 60 µV = 300mV.
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