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Amplificador Operacional  
Aula15:Amplificador Diferencial com Transistores

1. Introdução

     O amplificador diferencial (AD) é importante no estudo dos amplificadores operacionais (AO) pois ele é o primeiro estágio de um AO, estabelecendo algumas de suas principais características.

    Por definição um AD é um circuito que tem duas entradas nas quais são aplicadas duas tensões  v₁ e v₂ e uma saída v_S. Se considerarmos a condição ideal se v₁ = v₂ a saída será nula, isto é, um AD é um circuito que amplifica só a diferença entre duas tensões rejeitando os sinais de entrada  quando estes forem iguais.

Fig1: Amplificador diferencial ideal              

No caso ideal        v_s=A_d.v_d=A_d.(v₁ - v₂)               onde  

A_d=Ganho diferencial de tensão

v_d=v₁ - v₂ = sinal diferença  ou sinal erro 

Se v₁=v₂ então  v_d=0 e portanto  v_s=0

Na pratica  existirá sempre uma pequena tensão na saída quando v₁ = v₂ (situação esta chamada de modo comum). No caso de um AD real a expressão da tensão de saída em função da entradas é dada por :  

v_s=A_d.v_d + A_c.v_c   

 onde                                                                                             

  v_c = (v₁ + v₂)/2 = sinal em modo comum   e A_c=Ganho em modo comum.

Está claro pelo exposto que no caso de um AD ideal o valor de A_c=0.

Os valores de A_d e A_c dependem dos componentes usados na construção do AD, como veremos a seguir.

No circuito da Fig2  vamos admitir que os transistores são iguais e que a fonte de corrente é ideal (I_e1+I_e2=I_O=constante).

    Consideremos a tensão na entrada 2 constante (v₂ = E) e a tensão na entrada 1  como sendo igual a  v₁=VM1.sen(wt ) + E, isto é, uma tensão alternada senoidal com um nível médio E. A Fig3  mostra as principais formas de onda do circuito considerando essas entradas.

    Quando v₁ = v₂ = E, os dois transistores conduzirão a mesma  corrente (I_E1 = I_E2 = I_O/2), pois admitimos inicialmente transistores idêntico, nessas condições  a tensão do coletor para o terra  de cada transistor será igual a    V_S1 = V_S2 = V_CC - R_C.I_O/2 e portanto a tensão entre os coletores valerá:   

Vs=Vs1 -; Vs2=0.

  Quando Vs1 > Vs2 o transistor Q1 conduzirá  mais que Q2 e portanto I_C1 aumentará, diminuindo VS1 (não esqueça  VS1=V_CC - R_C.I_C1  ! !) e por força da fonte de corrente,  I_C2 diminuirá (não esqueça que  I_O=I_E1 + I_E2=constante, se I_E1 aumentar I_E2 deve diminuir), aumentando Vs2.

    Da Fig2  e considerando que os transistores são idênticos e que a fonte de corrente é ideal podemos concluir que :

O ganho diferencial de tensão, considerando a saída nos coletores, é  igual a :
 
A_d =Vs1_pp/VM1 = VS2_pp/VM1  (VS1_pp=VS2_pp)  

VS1= saída       VM1 = valor de pico da entrada  1

    Se a saída for entre os coletores o ganho será duas vezes maior. A figura a seguir mostra as principais formas de onda. DE cima para baixo: Entrada (100mVpp), coletor de Q1(vc1), coletor de Q2 (vc2) e a diferença (vc1-vc2)                                                           

Fig3: Formas de onda – Amplificador diferencial discreto.

    Dos gráficos da  Fig3  também concluímos que o sinal na saída 1, vc1, está defasado de 180º em relação à entrada1, v1, e o sinal na saída 2, vc2, está em fase com a entrada 1. Por isso mesmo é que, se considerarmos a saída no coletor de Q2 a entrada 1 será chamada de não-inversora (+) e a entrada 2 chamada inversora (-).

2. Amplificador Diferencial  com Fonte de Corrente Simples           

Na pratica os transistores nunca serão iguais e a fonte de corrente não será ideal. A Fig4   mostra o circuito de um AD pratico. Neste circuito a fonte -V_CC junto com R_E simulam a fonte de corrente.

Fig4: Amplificador diferencial real

O valor da fonte de corrente é calculado fazendo-se v₁ = v₂ = 0 (condições quiescentes), resultando:           

I_O = (V_CC - 0,7)/R_E@V_CC/R_E

Para esse circuito o ganho diferencial, considerando a saída nos coletores, será calculado por:

            A_d = VS1/(v₁ - v₂) =VS2/(v₁ - v₂) @R_C/2.r_e              
onde        r_e= resistência incremental da junção base emissor podendo o seu valor ser estimado por :                            
 r_e=25mV/I_E  a 25ºC   

sendo I_E = a corrente quiescente de emissor.
Ou em função dos parâmetros h (híbridos) :

A_d = hfe.R_C/2.hie             sendo    r_e=hie/hfe

O ganho em modo comum (A_c) do circuito é calculado por:

  A_c = R_C/2.R_E

    Como é desejável  um A_c o menor possível  estaríamos  tentado   a aumentar R_E o máximo possível, mas isso provocaria uma diminuição nas correntes de polarização, diminuindo o ganho. Para manter o mesmo valor de corrente, se R_E aumentar, devemos aumentar proporcionalmente V_CC, o que na prática não  é possível . Uma possível solução é substituir RE por um transistor Q3  que simula uma alta resistência, sem que seja  necessário um valor alto de V_CC. Desta forma se obtém um a valor de A_c muito baixo. O circuito da Fig5 é chamado de  amplificador diferencial com polarização por espelho de corrente, sendo muito usado em circuitos integrados e permite obter ganhos elevados.

Fig5:  Amplificador diferencial com fonte de corrente constante com transistor     

3. Amplificador Diferencial com Realimentação

    O circuito da Fig4 tem um ganho instável por que o valor de r_e não é o mesmo para um mesmo tipo de transistor e varia com a temperatura. Uma forma de contornar o problema é aplicar  realimentação negativa ao circuito como na Fig6. Neste circuito a realimentação existente através de R_E1 e R_E2  diminui o ganho mas deixa-o estável, isto é, se os transistores forem trocados e/ou a temperatura variar o valor do ganho não muda (ou varia pouco).

Fig6: Amplificador diferencial com realimentação

O ganho de tensão considerando a saída nos coletores é dado por :

            A_d = R_C/2.(r_e+ R_E)

Se R_E>> r_e as variações em r_e provocadas pela troca de transistor ou variação na temperatura serão encobertas por R_E e desta forma o ganho será estável  e será dado aproximadamente  por:

A_d = R_C/2.R_E ou em função dos parâmetros h

A_d = R_C/2.(hie/hfe  + R_E)

4. Experiência25 - Amplificador Diferencial - Medida das Correntes

4.1. Abra o arquivo  Exp25a MicroCap8  ou Exp25a Multisim2001, identifique o circuito da figura7.  Calcule todos os valores pedidos da Tabela I.

4.2.  Meça  todos os valores da Tabela I.

Fig7: Amplificador diferencial sem  realimentação - medida das correntes quiescentes - transistores iguais

Tabela I

4.3. Abra o arquivo   Exp25b MicroCap8    ou Exp25b Multisim2001, identifique o circuito da figura8, a seguir. Calcule todos os valores pedidos da Tabela II. Observe que os transistores são diferentes pois apresentam corrente de saturação diferentes ( Tr1 tem IS=1nA e TR2 tem Is=3nA). Use os mesmos dados do item 4.1 para efetuar os calculos.

OBS: Antes de continuar voce deve fazer o download da biblioteca que tem a modificação acima no caso de usar o MicroCap8 A biblioteca na qual foram adicionados os dois transistores é chamada de Small, e voce deve substituir o arquivo original pelo arquivo a seguir.

Clique aqui para efetuar o download da biblioteca Small, salve no endereço C:\MC8DEMO\LIBRARY substituindo a original.

Fig8: Amplificador diferencial sem  realimentação - medida das correntes quiescentes - transistores diferentes

4.4. Meça  todos os valores da Tabela II.

Tabela II

4.5. Abra o arquivo Exp25c.CIR  ou Exp25c  Multisim2001, identifique o circuito da figura9, a seguir. Calcule todos os valores pedidos da Tabela III. Observe que existe uma realimentação negativa através dos resistores RE1 e RE2 que tem como  finalidade diminuir a diferença entre as correntes de coletor provocada pelo descasamento entre os transistores.

4.6.Meça  todos os valores da Tabela III.

Fig9: Amplificador diferencial com realimentação - medida das correntes quiescentes - transistores diferentes

Tabela III

4.7. Conclusões

5. Experiência26 - Amplificador Diferencial - Medida do Ganho 

5.1. Abra o arquivo ExpAO26A    ou Exp26a  Multisim2001, identifique o circuito da figura10. Calcule o ganho diferencial considerando a saida em um dos coletores e anote o resultado na Tabela IV.

5.2. Meça  o valor de pico a pico da tensão de entrada (V1-V2) e da tensão de pico a pico nos coletores, VC1 e VC2 anotando os valores na Tabela IV.

Fig10: Amplificador diferencial sem  realimentação - medida do ganho - transistores iguais

Tabela IV

5.2. Abra o arquivo ExpAO26b   ou Exp26b  Multisim2001, identifique o circuito da figura11. Inicie a simulação e anote as formas de onda  de entrada, e nos coletores (VC1 e VC2). Anote na tabela V os valore calculados e simulados do ganho. Observe que os transistores são diferentes. Use os valores medidos de IE1 e IE2 em 4.4 para  calcular  o ganho em cada coletor. 

Fig11: Amplificador diferencial sem  realimentação - medida do ganho - transistores diferentes

Tabela V

5.3. Abra o arquivo ExpAO26c   ou Exp26c  Multisim2001, identifique o circuito da figura12.  Inicie a simulação e anote as formas de onda  de entrada, e nos coletores (VC1 e VC2). Anote na tabela VI os valore calculados e simulados do ganho. Observe que os transistores são diferentes. Use os valores medidos de IE1 e IE2 em 4.6  para  calcular  o ganho em cada coletor.  (para calcular usar a equação).

Fig11: Amplificador diferencial com realimentação - medida do ganho - transistores diferentes

Tabela VI

5.4. Conclusões: