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Amplificador Diferencial: Diseño, Implementación y Aplicaciones Alex Ichina & Fernando Moyon Escuela de Ingeniería en Electrónica, Control y Redes Industriales Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Riobamba, Ecuador Abstract: In this article, it presents the structure of the Differential Amplifier in which you will get the voltages and currents using models of transistors BJT. The differential amplifier is formed by the current mirror that is characterized by the feedback between the base and the collector of the transistor, and the differential pair that is characterized by the fact that both transistors that comprise it has the same settings. To this differential pair was added to the sender with a variable resistance in order to calibrate the electronic circuit. The transistors that are used in practice are of type NPN of model 2N2222 and 2N3904.

III. DESARROLLO. El circuito a implementar es el que se muestra en la Fig. 1

Keywords: Transistor, Common-Mode, Differential Amplifier. I. INTRODUCCIÓN El Amplificador diferencial es un arreglo realizado mediante transistores, es el circuito principal de los amplificadores operacionales integrados comerciales y de muchos otros circuitos integrados, se verá el caso del amplificador diferencial construido a partir de transistores bipolares o bjt [1]. Algunas de las características importantes del amplificador diferencial son su alta impedancia de entrada, una ganancia de tensión alta y un valor alto en cuanto al rechazo en modo común [2]. El espejo de corriente que forma parte de este amplificador diferencial se lo utiliza como fuente de corriente cuyo valor es un reflejo de la corriente que pasa por una resistencia de polarización y un diodo. Se utiliza principalmente en los circuitos integrados y se necesitan transistores con idénticas caídas de tensión entre la base y emisor e igual valor de Bf (Beta) [3]. Mediante el circuito presentado en la práctica se identificará donde se encuentra el espejo de corriente y el par diferencial, además de obtener las ganancias teóricas en lazo abierto para las configuraciones de entrada en Single-Ended, DoubleEnded y se configurará el circuito en Common-Mode para obtener los datos que se solicitan en la práctica. II. METODOLOGIA Para la realización de esta práctica se usó el método experimental debido a que primero se deben implementar el circuito presentado, y utilizar un nuevo instrumento que es el Banco de Alimentación de Módulos Analógicos K&H, el cual es un módulo que consta de un multímetro y amperímetro en Ac y DC, consta de fuentes regulables, resistencias variables y tiene su propio lugar para colocar el protoboard.

Fig. 1: Circuito a implementar

Como anteriormente dicho para el diseño del amplificador operacional se utilizaron dos tipos de transistores BJT, que son el 2N2222 y 2N3904, primeramente se verificó el Beta de estos transistores para poder obtener las ganancias teóricas en Single-Ended, Double-Ended y Common-Mode, las fórmulas para obtener estas ganancias son: Single-Ended 𝑅𝑐

∆𝑉 = 2∗𝑟𝑒 𝑟𝑒 =

𝑟𝑖 𝐵

(1)

(2)

Donde: Rc = Resistencia del Colector ri = Impedancia de Entrada B = Beta del transistor re = Resistencia conectada a los emisores ∆𝑉 = Ganancia Double Ended

∆𝑉 =

𝑅𝑐 𝑟𝑒

(3)

Para la ganancia en Double Ended es parecida a Single Ended, su única diferencia es que ya no es dos veces la resistencia re, sino solo re.

Common Mode

𝐵∗𝑅𝑐

∆𝑉 = 𝑟𝑖+2(1+𝐵)𝑟𝑒

(3)

Donde: Rc = Resistencia del Colector ri = Impedancia de Entrada B = Beta del transistor re = Resistencia conectada a los emisores ∆𝑉 = Ganancia Al obtener estas ganancias teóricas, se identificó donde se encuentra el espejo de corriente y el par diferencial del diseño del amplificador diferencial, entre Q1 Y Q2 de la Fig, 1, se encuentra el espejo de corriente por su retroalimentación entre la base y el colector de Q2. Entre Q3 Y Q4, encuentra el Par Diferencial por la configuración de los transistores. Con las ganancias obtenidas y la identificación del espejo de corriente y el par diferencial del circuito, se lo implementó en el protoboard como se muestra en la Fig. 2.

Fig. 2: Implementación del circuito

Para la implementación del circuito, se desconectó la fuente de voltaje V2 y conectó el terminal de base del Q4 a la base de Q3 con el fin de que el amplificador diferencial este configurado en Common-Mode. En los bancos de alimentación de Módulos Analógicos se configuró el voltaje mínimo de la fuente regulable que para la parte positiva era 2.61 V y para la parte negativa era de -3.08 V y se obtuvo la corriente Ic de Q1. Con el potenciómetro al realizar la práctica ayudó a calibrar el amplificador diferencial hasta lograr que Vo = 0V. Al lograr conseguir los valores en Common-Mode como se solicita en la práctica se volvió a conectar las fuentes en las base de Q3 y Q4. Para facilitar la práctica se utilizó los instrumentos de NI ELVIS, allí configuramos los voltajes V2 y en los Módulos de alimentación el voltaje V1. Así mismo se obtuvo la Ic de Q1 con diferentes intervalos de voltajes y se graficó los resultados obtenidos para Vo, V1 y V2 en función del Tiempo.

∆𝑉

BETA=80 SINGLE-ENDED DOUBLE-ENDED COMMON-MODE

188 376 124.29

Los valores obtenidos en la configuración en Common-Mode, eliminando las fuentes de voltaje y conectando las bases de los terminales Q4 Y Q3 son: V1

Ic de Q1

Vo1

Vo2

Vo = Vo2 – Vo1

-3.08 V

4.3m

-3.75

-3.75

0

0V

8.5m

-0.73

-0.73

0

+2.61 V

14m

1.84

1.84

0

Como anteriormente dicho, se tomó como voltajes iniciales el valor mínimo que entregaba la fuente regulable, los voltajes Vo1 y Vo2 son los mismos debido a que para ambos transistores están conectados a la misma fuente de voltaje regulable, tienen la misma configuración y la caída de tensión en los dos casos es con una resistencia de 4.7 kΩ y por lo tanto la diferencia de voltaje es 0V. En la siguiente tabla se muestran los valores conseguidos conectando las fuentes de voltajes V1 y V2 en el circuito. Tiempo

V1

V2

Ic de Q1

Vo1 (V)

Vo2 (V)

-4 V

Vd= V2V1 -5V

9mA

4.95

0.23

Vo = Vo2Vo1 -4.71

t1

+1 V

t2 t3

0 V

-2 V

-2V

7mA

-2.65

-0.73

1.91

-1 V

1V

2V

9mA

-0.23

-1.66

-1.43

t4

-2 V

2V

4V

9mA

0.72

-0.63

-1.35

t5

-3 V

-1 V

2V

6mA

-2.69

-3.62

-0.93

Con estos valores obtenidos se procedió a realizar la gráfica para Vo, V1 y V2 en función del Tiempo:

Fig. 3: Gráfica VO, V1, V2 en función del tiempo

IV. RESULTADOS

V. CONCLUSIONES

A continuación se muestra en la siguiente tabla las ganancias teóricas obtenidas en Single-Ended, Double-Ended y Common-Mode:

Gracias a todas las herramientas que disponen los bancos de alimentación de Módulos Analógicos, se pudo analizar de

mejor manera el funcionamiento de un amplificador diferencial por sus fuentes fijas y regulables simétricas, caso contrario hubiésemos tenido que conseguir los datos solicitados en la práctica con diferentes fuentes, lo que incomoda al grupo para realizar la práctica satisfactoriamente. La resistencia variable, tiene mucha influencia en el diseño del circuito debido a que nos ayuda a calibrar el par diferencial, con el fin de que Vo=0 y el amplificador diferencial funcione correctamente.

VI. RECOMENDACIONES Antes de encender el breadboard, primeramente, realizar las conexiones y polarizaciones necesarias para que funcione el circuito solicitado. Evitar cables sueltos o mal pelados para evitar cortocircuitos y que se dañe el breadboard. Para medir la corriente en el circuito realizarlo en serie y para medir voltaje realizarlo en paralelo. Si se hace algún cambio en las fuentes para obtener algún dato, desconectar el circuito, hacer el cambio, volver a alimentar el circuito y obtener el dato solicitado.

VII. REFERENCIAS

[1] Malvino, Albert Paul. – Principios de Electrónica. – Sexta edición.- Ed. McGraw-Hill.- pp 619-661

[2] Boylestad R. & Nashelsky L. Electrónica y Teoría de Circuitos.

[3]

Floyd, Thomas AMPLIFICADORES .

L.

Dispositivos

Electrónicos-