Amplificador diferencial: método de trabajo y término que debe conocer

Introducción

Los amplificadores diferenciales son los componentes básicos más utilizados en el diseño de circuitos integrados analógicos. Un amplificador diferencial es básicamente un circuito electrónico que consta de dos entradas, una entrada inversora y una no inversora operadas en una configuración de retroalimentación negativa. El amplificador diferencial básicamente amplifica la diferencia entre los voltajes de entrada aplicados en estos dos terminales de entrada y rechaza cualquier señal común a estos dos terminales de entrada.

Básicamente, todos amplificadores operacionales son amplificadores diferenciales porque todos ellos tienen la misma configuración de entrada. Si se aplica una señal de voltaje de entrada en uno de los pines de entrada y se aplica una señal de voltaje más al otro pin en lugar de conectarse a tierra, el voltaje de salida resultante será proporcional a la variación entre los dos voltajes de entrada conectados en los dos terminales de entrada respectivos.

Amplificador diferencial
 Amplificador diferencial con amplificador operacional no ideal, crédito de imagen: Arthur Ogawa, Impedancia de entrada del amplificador diferencial de amplificador operacional y polarización comúnCC BY-SA 1.0

Construcción y trabajo

Considere el circuito, que se muestra en la figura (a), con entradas Vi1 Y Vi2. Para analizar el circuito utilizaremos el concepto de superposición y corto virtual. La figura (b) demuestra el circuito con Vi2 = 0. No fluirá corriente en R3 Y R4; por lo tanto, V2a = 0. El circuito resultante se comportará como un amplificador inversor así,

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Amplificador diferencial
Circuito amplificador diferencial

  El amplificador diferencial en el circuito anterior consta de una configuración de amplificador inversor y no inversor.

Mientras que, si el pin inversor está conectado a tierra, el circuito actúa como un amplificador no inversor, como se muestra en los diagramas de circuito respectivos. Cuando los terminales de entrada inversora están conectados a tierra, R2y R1 funciona como los componentes de retroalimentación que conectan el terminal de salida y el terminal inversor y se logra una condición de retroalimentación adecuada para el amplificador no inversor.

Amplificador diferencial
Amplificador diferencial

La figura (c) muestra el circuito con Vi1 = 0. Ahora, la corriente del amplificador operacional es 0. Entonces, R3 Y R4 Forme un divisor de voltaje. Por lo tanto,

image009 3

Del concepto de corto virtual obtenemos, V1b V =2b y el circuito se convierte en un amplificador no inversor, para lo cual

image011 2

Sustituyendo en las ecuaciones anteriores, obtenemos image013 3

Or image015 3

Dado que el voltaje de salida neto es la suma de términos individuales, tenemos

                                                                              V0 V =01 + V02

Or                                                        image017 3

Una propiedad de un amplificador diferencial ideal es que el voltaje de salida es cero cuando Vi1 V =i2. En el análisis de la última ecuación, esta condición se cumple si

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El voltaje de salida es entonces,

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Podemos agregar apropiadamente resistencias suplementarias en conexión en paralelo con las resistencias de entrada según nuestra necesidad, y el circuito amplificador diferencial se puede configurar para agregarlo o restarlo según nuestra necesidad.

Algunos términos importantes relacionados con el amplificador diferencial

Resistencia de entrada diferencial:

En la figura, hemos establecido la condición de que y hemos establecido R= R3 Y R= R4. La resistencia de entrada se define entonces como,

image023 2
Amplificador diferencial

Teniendo en cuenta el concepto de corto virtual, podemos escribir la siguiente ecuación de bucle,

V= iR+ IR1 = yo (2R1)

Por tanto, la resistencia de entrada es R= 2R1

Señal de entrada de modo común:

: En el amplificador de diferencia ideal, una entrada de modo común Vcm haría que las entradas (Vi1 + Vcm) y Vi2 + Vcm), es decir, se agrega a cada uno de los voltajes de entrada aplicados y, por lo tanto, se cancelará cuando se tome y amplifique la diferencia de los dos voltajes de entrada.

La salida Ves cero cuando Vi1 V =i2. Sin embargo, si estas relaciones de resistencia no son exactamente iguales, es decir

 image027 2, entonces, como resultado, el voltaje de modo común Vcm no se cancelará completamente.

Como prácticamente es imposible tener relaciones de resistencia de valores perfectamente exactos, es probable que haya algún voltaje de salida en modo común.

Cuando Vi1 V =i2, la entrada se denomina señal de entrada de modo común. El voltaje de entrada de modo común se puede expresar como

image029 2

la ganancia de modo común se puede expresar como,

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Relación de rechazo de modo común (CMRR):

El CMRR se puede explicar como el valor del módulo de la relación entre la ganancia diferencial y la ganancia en modo común. Básicamente, es la capacidad de un amplificador diferencial para rechazar señales de entrada que están en modo común.

                                                    CMRR = image033

Generalmente, el CMRR se expresa en dB,

CMRR (dB) = image035

En un mundo ideal, la tasa de rechazo en modo común es infinita. En el caso del amplificador diferencial real, deseamos que CMRR sea lo más grande posible.

Aplicaciones del amplificador diferencial

Amplificador diferencial de puente de Wheatstone

Puente
Amplificador diferencial de puente de Wheatstone

En este caso, las resistencias están dispuestas en un puente de Wheatstone (resistivo) de tal manera que puede funcionar como un comparador de voltaje diferencial al comparar los voltajes de entrada.

Cuando se aplica un voltaje de entrada de referencia fijo en un extremo de la red del puente de Wheatstone y un termistor o una resistencia dependiente de la luz (LDR) en el otro extremo de la red, entonces el circuito se puede usar para detectar diferentes niveles de temperatura o luz. intensidad. El voltaje de salida de este circuito amplificador operacional diferencial es una función lineal de las diferencias en el extremo activo del circuito en el que se encuentra el termistor o LDR.

 Un circuito diferencial de puente de Wheatstone utilizado para calcular el valor de la resistencia desconocida provisionalmente como un comparador entre los voltajes de entrada a través de las resistencias individuales.

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL SENSIBLE A LA LUZ

Amplificador diferencial sensible a la luz
Amplificador diferencial dependiente de la luz

El circuito diferencial dependiente de la luz funciona como un interruptor dependiente de la luz, que dará la salida como "encendido" o "apagado" con la ayuda de un relé. El voltaje aplicado en V1 establece el punto de disparo del amplificador (proporciona el valor umbral) y una resistencia variable que actúa como un medidor de potencial VR2 se utiliza para la conmutación por histéresis.

 En el terminal inversor del amplificador diferencial, se conecta una resistencia estándar dependiente de la luz, que cambia su valor de resistencia dependiendo de la cantidad de luz que incide sobre ella. La resistencia del fotodiodo presente en el LDR es proporcional al nivel de luz y disminuye con el aumento de la intensidad de la luz, y por lo tanto, el nivel de voltaje en el punto V2 también variará y dependiendo de si está por encima o por debajo del punto de umbral, la resistencia variable VR1 indicará su valor.

Ahora, cuando la luz incide en la resistencia dependiente de la luz (LDR), en función de su intensidad, ya sea que exceda o permanezca por debajo del valor de umbral establecido en el terminal de entrada no inversora V1, la salida muestra ON u OFF.

El disparo del nivel de luz o la posición del valor umbral se puede ajustar con la ayuda del potenciómetro VR1 y el potenciómetro de histéresis de conmutación VR2. Por lo tanto, de esta manera, se puede realizar un interruptor sensible a la luz utilizando un amplificador diferencial.

El circuito se puede configurar para detectar cambios de temperatura, reemplazando el VR1 y el LDR, con termistor y resistencia variable adecuada para detectar calor o frío. La desventaja de un amplificador diferencial es que las impedancias de entrada son mucho más bajas en comparación con las otras configuraciones de circuito de amplificador operacional. Un circuito amplificador diferencial funciona bien para fuentes de baja impedancia, pero no para fuentes de alta impedancia. Mediante el uso de un amplificador de búfer de ganancia Unity, este problema se puede solucionar.

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