As Amplificadores Diferenciais

AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS

Alexandre Souza Ribeiro¹; Elton William Nascimento Magalhães¹; Fábio Moura Sarmento¹; Fágner Thiago Tavares Nery¹; Wesley Rodrigues.

Professo Roberto Menezes².

(1) Estudante de Engenharia Elétrica; Universidade Federal do Pará; Belém, Pará; (2) Professor da faculdade de engenharia elétrica; Universidade Federal do Pará; Belém, Pará.

RESUMO

        Desde que os semicondutores revolucionaram a eletrônica, substituindo as antigas válvulas, têm-se procurado aprimorar as técnicas e tecnologias utilizadas para realizar alguns trabalhos que não eram viáveis em outras épocas. Por isso, viu-se a necessidade de estudar os amplificadores diferenciais, que foi inventado com o desafio de diminuir o espaço físico que os filtros convencionais ocupavam utilizando-se capacitores convencionais. E o desafio foi cumprido, visto que os amplificadores diferenciais conseguem “eliminar” os ruídos indesejáveis em certos sinais, sem a utilização de capacitores, e, além disso, estes amplificadores são utilizados em larga escala na microeletrônica da atualidade, principalmente nos CI’s de amplificadores operacionais, em seu estágio de entrada.

PALAVRAS-CHAVE: Amplificadores diferenciais; Ruídos; Ganhos.

INTRODUÇÃO

O elegante conceito de sinais e de amplificadores “diferenciais” foi inventado no ano de 1936 pelo engenheiro eletrônico Alan Dower Blumlein e utilizado pela primeira vez em circuitos a válvulas “ Desde então, circuitos diferenciais tiveram crescente uso em microeletrônica e tornaram-se um paradigma robusto e de alto desempenho em muitos dos sistemas atuais.” (RAZAVI, 2010), é um dispositivo eletrônico composto por resistores, transistores, capacitores e diodos. O amplificador diferencial (estágio de entrada de um amp. Op) vem muito da necessidade de se utilizar o mínimo de espaço possível em uma pastilha de CI, além da limitação de um amp. op sem a utilização de um estágio de entrada devido as altas taxas de ruídos de uma fonte retificada com ondulação ( “Ripple” ) ocasionando um sinal desnecessário.

Pretendemos explicar de forma sucinta o amplificador diferencial, suas configurações, “o porquê” de sua utilização e exemplos de circuitos práticos.

ANÁLISE PRELIMINAR

Um dos melhores estágios de acoplamento direto é o amplificador diferencial. Este amplificador é amplamente usado como estágio de entrada de um amplificador operacional. Na simbologia de um amplificador operacional ( como “caixa-preta”) a sua entrada são as mesmas entradas de um amplificador diferencial do tipo entrada dupla, saída simples, diferenciando as duas entradas pela sua polaridade de sinal ( v1 e v2) também conhecidas como não inversoras (v1) onde o sinal de saída não está defasado em relação ao sinal de entrada e a inversora onde o sinal de saída está 180º fora de fase com o sinal de entrada inversora (v2). Entenda, a utilização deste estágio em um amplificador operacional se dá pelo fato de ruídos presente em fontes retificadas e a limitação da capacidade de capacitância nos CI’s em 50 pF (MALVINO, 1986), para filtrar ruídos de 50 – 60Hz que será amplificado. E caso seja utilizado um filtro de acoplamento na entrada do sinal a capacitância pode se revelar excessivamente grande conflitando com a necessidade de se diminuir o tamanho dos CI’s.

TOPOLOGIA

        São utilizadas quatro topologias de amplificadores diferenciais, das quais temos: Entrada e saída com terminal duplo; Entrada com um terminal e saída com dois terminais; Entrada dupla e saída simples; Entrada simples e saída simples.

Entrada e saída com terminal duplo:

Essa topologia tem por característica duas entradas (v1 e v2) e um terminal duplo de saída (Vsaída), onde essa é a forma mais geral de amplificador diferencial. Por conta de seu acoplamento direto, a entrada pode ter frequências diversas que equivalem a componente cc. De forma ideal, o circuito é simétrico quando seus resistores internos do transistor e no coletor são idênticos, obtendo na Vsaída = 0 quando as duas entradas de sinal forem iguais. Quando v1 > v2 a tensão de saída será de polaridade mostrada e quando v2 > v1  a tensão de saída será de polaridade oposta.

A saída com terminal duplo do amplificador diferencial, apresenta a entrada v1 que é chamada de “não-inversora” porque a tensão de saída está em fase com o v1. Por outro lado, v2 é a entrada inversora porque a saída está defasada de 180º em relação a v2. Um amplificador diferencial amplifica a difereça entre as duas tensões de entrada, produzindo uma saída de:

[pic 1]

Onde,

VSaída = Tensão entre os coletores ;

A = Rc/re;

V1= Tensão de entrada não inversora;

V2= Tensão de saída inversora.

Entrada com terminal simples e saída com terminal duplo:

        Em algumas aplicações é usada somente uma das entradas, sendo a outra aterrada. Este tipo de entrada é chamada “terminal simples”. A saída permanece dupla e é dada pela equação anterior. Com v2=0, VSaída= Av1.

        Uma saída de terminal duplo tem poucas aplicações porque ela requer uma carga flutuante. Em outras palavras você precisa ligar os dois terminais da carga aos coletores. Isto não é conveniente na maioria das aplicações porque as cargas geralmente tem terminal simples, o que significa que um lado da carga é ligado ao terra.

Entrada com terminal duplo e saida com terminal simples:

E a forma mais prática e mais amplamente usada de um amp. diferencial. Ele tem várias aplicações porque pode alimentar carga com um único terminal como os amplificadores EC, os seguidores do emissor e outros circuitos. Esse amplificador é o mais usado no estágio de entrada dos amplificadores operacionais. Por isso iremos enfatizar este amplificador diferencial.

vsaída = A(v1 – v2)

vsaída = tensão ca do coletor ao terra

A = Rc/2r’e

v1 = tensão de entrada não-inversora