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El Amplificador Diferencial

I.- Objetivos

  • Verificar el comportamiento de un amplificador Diferencial calculando los valores teóricos y luego verificándolos con los datos medidos.
  • Experimentar con circuitos de aplicación en la determinación de fallas.

II.- Fundamento teórico

El Amplificador Diferencial

El amplificador diferencial es la etapa de entrada característica de un amplificador operacional. No tiene capacitores de acoplamiento ni de paso, lo que implica que esta directamente acoplado. Por esto, puede amplificar cualquier frecuencia incluyendo la señal de DC, que es equivalente a una señal de frecuencia cero. La corriente de cola en un amplificador diferencial se divide exactamente entre los transistores cuando estos son idénticos.

Características de las dos entradas

Cuando los dos transistores de un amplificador diferencial no son idénticos, las dos corrientes de base son diferentes. La corriente de desajuste de la entrada se define como la diferencia entre las dos corrientes de base. La corriente de polarización de la entrada se define como el promedio de las dos corrientes de base. Las hojas de datos especifican Ien(desajuste) e Ien(polarización).

Ecuaciones Importantes

Corriente de cola

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No es más que la ley de Ohm aplicada al resistor de cola de un amplificador diferencial. Esta es una aproximación ideal pues supone que todo el voltaje de alimentación VEE esta a través del resistor de cola. Se puede restar 0.7 V de VEE si se quiere mejorar un poco la respuesta.

Corriente de desajuste de entrada

Ien(desajuste) IB1 - IB2

Esta es la definición de la corriente de desajuste de la entrada. Nos dice que es igual a la diferencia entre las dos corriente de base. Dicha diferencia es una indicación de cuanto difieren los valores de βcd. Cuando un amplificador diferencial es perfecto, la corriente de desajuste de entrada es cero.

Corriente de polarización de entrada

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Esta es la definición de la corriente de polarización de entrada. Y nos dice que es igual al promedio de las dos corriente de base.

Ganancia de Voltaje de un amplificador diferencial

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Razón de Rechazo en Modo Común

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Este es un número grande ya que es igual a la ganancia de voltaje diferencial dividido entre la ganancia de voltaje en modo común. El valor indica la eficacia con que el amplificador operacional o el amplificador diferencial discrimina y bloquea una señal en modo común.

III.- Equipo y materiales

  • Un generador de audio
  • Dos fuentes de voltaje de ±15 V o una fuente dual de ±15V
  • 10 resistencias de 1/2 W: 2x22Ω, 2x100Ω, 2x1.5KΩ, 2x4.7KΩ, 2x10KΩ (al 5% de tolerancia)
  • Dos transistores 2N3904 (o equivalente)
  • Un condensador de 0.47uF /25V
  • Un VOM (Multímetro)
  • Un Osciloscopio
  • Un potenciómetro de 1K

IV.- Procedimiento

Corriente de cola y base

a.- Note el par de resistencias reflectoras (22 Ω) en la Fig. 1 han sido incluidas en el experimento para proporcionar la unión entre los transistores discretos. En la Fig. 1 puede asumir que el hFE típico es 200. Calcule aproximadamente la corriente de cola, anotándola en la Tabla 1, también calcule y anote la corriente de base de cada transistor.

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Tenemos:

-15V + IB(47K) + VBE + IE(22) + 2IE(1.5K) = 0

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b.- Arme el circuito de la Fig. 1, mida y anote la corriente de cola.

c.- Usando un VOM como amperímetro mida la corriente de base de cada transistor. Si el VOM utilizado no es lo suficiente sensible para medir corriente en microAmperios, entonces use el Osciloscopio con la entrada en DC para medir el voltaje a través de cada resistencia de base y calcule la corriente de base. Anote sus resultados en la tabla 1.

Corriente de desvío (Offset) y de polarización.

a.- Con los datos calculados en la Tabla 1 calcular los valores de la corriente de desvío y la corriente de polarización de entrada. Anote tus respuestas teóricas en la Tabla 2.

Con los datos teóricos :

II0 = 23.45uA - 23.45uA = 0

Con los datos medidos:

IIB = (23.45uA + 23.45uA)/2 = 23.45uA

b.- Con los datos de las medidas en la tabla 1 calcule los valores de I10 y I1B. Anotando sus respuestas experimentales en la tabla 2

Con los datos teóricos:

II0 = 19.5uA - 16uA = 3.5uA

IIB = (16uA + 19.5uA)/2 = 17.75uA

Voltaje de desvío de salida

a.- En la fig. 2 asumir que la base de Q1 esta aterrizada mediante un alambre desviador (jumper) si ambos transistores son idénticos y todos los componentes tienen los valores indicados entonces el voltaje DC de salida tendrá un valor de aproximadamente +7.85V. Para esta parte del experimento cualquier desviación de +7.85 es llamada voltaje de desvío de salida y designado por VO(Desvío).

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b.- Arme el circuito de la Fig. 2 con la base de Q1 aterrizada mediante un alambre desviador. Mida el voltaje DC de salida, anotándolo en la Tabla 3. Así mismo calcule el voltaje de salida de desvío de salida VO(Desvío) y anótelo en la tabla 3.

c.- Retire la aterrización de la base de Q1, ajuste el potenciómetro hasta que el voltaje de salida sea +7.85 V.

d.- Mida el voltaje de base de Q1 y anótelo en la tabla 3 como VIO

Ganancia de Voltaje Diferencial

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a.- Por efecto de las resistencias reflectoras en la Fig. 3 la ganancia de voltaje diferencial esta dada por RC/2(rE + r'e). Calcule y anote A en la Tabla 4

Hallamos IE:

-15V + IB(100) +VBE + 22(IE) + 1.5K(2IE) = 0

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b.- Arme el circuito, coloque el generador de audio en 1 KHz con un nivel de señal de 0.1Vpp

c.- Mida los voltajes de entrada y de salida, calcule y anote el valor experimental de A.

Ganancia de voltaje en Modo Común

a.- Calcule la ganancia de voltaje en Modo común ACM del circuito de la Fig. 3 y anótela en la tabla 4

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b.- Ponga un alambre de unión entre las bases de su circuito ya construido de la Fig. 3

c.- Incremente el nivel de señal hasta que el voltaje de salida sea aproximadamente de 0.5 VPP

d.- Mida el voltaje pico a pico de entrada; calcule con los datos obtenidos en c) y la primera parte del presente párrafo el valor experimental de ACM, anote su valor en la Tabla 4.

Razón de Rechazo en Modo Común

a.- Calcule el valor teórico de CMRR, usando los datos calculados previamente de la Tabla 4, anotando su valor

b.- Usando los datos experimentales de la Tabla 4, calcule el valor experimental de CMRR y regístrelo.

Determinación de Fallas

En esta parte del experimento, un cortocircuito colector-emisor significa que los tres terminales del transistor están en cortocircuito en conjunto; un circuito abierto colector-emisor significa que el transistor ha sido retirado del circuito.

a.- En el circuito de la Fig. 3 estime el voltaje DC de salida para cada falla listada en la Tabla 5

b.-Introduzca cada una de las fallas en el circuito, mida y anote los voltajes DC en la Tabla 5

Diseño

a.- Seleccione valores de resistencia para el circuito de la Fig. 3 a fin de obtener una corriente de cola de 3 mA y un voltaje DC de salida de 7.5 V. Anote los valores de mayor cercanía a los estándares en la tabla 53.6

Asumiendo RB = 100 Ω

Para hallar RC :

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Para hallar RE:

-15V + IB(100) + VBE +22(IE) +RE(2IE) = 0

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b.- Arme el circuito con los valores de su diseño. Mida la corriente de cola y el voltaje DC de salida y anótelos.

DATOS

Tabla 1 (Corriente de Cola y de Base)

  Calculado Medido
IT 9.39mA 9mA
IB1 23.45mA 16uA
IB2 23.45mA 19.5uA

Tabla 2 (Corrientes de Desvío de entrada y de Polarización)

IIO 0 3.5uA
IIB 23.45uA 17.75uA

Tabla 3 (Voltajes de Desvío de Entrada y de Salida)

  Medido
VI(desvío) 8.2V
VO(desvío) 0.35V

Tabla 4 (Ganancia de Voltaje y CMRR)

  Calculado Medido
A 27.27 30
ACM 0.49 11.2
CMRR 55.65 2.67

Tabla 5 (Determinación de Fallas)

Falla VO Estimado VO Medido
Q1 CE en corto 14V 14V
Q1 CE abierto 1V 1.3V
Q2 CE en corto 0V 0.2V
Q2 CE abierto 14V 14V

Tabla 6 (Diseño)

RE 4.7K
RC 5K
IT 3mA
VC2 7.5V

Preguntas

1.- La corriente de cola de la tabla 1 es cercana a:

  • 1 uA
  • 23.8 uA
  • 47.6 uA
  • 9.53 mA Rpta

2.- La corriente de base calculada en la Fig. 1 es aproximadamente

  • 1 uA
  • 23.8 uA Rpta
  • 47.6 uA
  • 9.53 mA

3.- La corriente de polarización de base de la Fig. 1 es aproximadamente

  • 1 uA
  • 23.8 uA Rpta
  • 47.6 uA
  • 9.53 mA

4.- El voltaje de desvío de entrada es el voltaje de entrada que produce:

  • la corriente de cola
  • el voltaje DC de salida
  • el voltaje de desvío de salida
  • el voltaje de fuente Rpta

5.- El CMRR de la tabla 4 es cercano a:

  • 0.5
  • 27.5
  • 55 Rpta
  • 123

6.- Porque una alta CMRR es una ventaja en un amplificador diferencial

Porque significa que la ganancia de voltaje en modo común se aproxima a cero o lo que significa también que la eficacia con que el amplificador diferencial discrimina o bloquea una señal en modo común.

Detección de Fallas

a.- En el circuito de la Fig. 3 alguien erróneamente usa 150Ω en lugar de 1.5KΩ para la resistencia de cola ¿Cuáles son algunos síntomas DC y AC que puede esperar?

Se puede esperar que la corriente de emisor aumente demasiado pudiendo saturar el transistor y la ganancia de voltaje en AC disminuiría.

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