O "amplificador diferencial" está associado diretamente à tecnologia de circuitos integrados. É amplamente utilizado na construção de amplificadores operacionais. Boa parte dos circuitos analógicos construídos através da microeletrônica, quer dizer, amplificadores operacionais utilizam as configurações de amplificadores diferenciais.
A figura abaixo mostra o funcionamento de um amplificador diferencial genérico. Assumindo a configuração como um circuito linear e possuindo uma simetria através de um espelho, o que os mostra idênticos e opostos. Estes dois circuitos são idênticos e possuem as mesmas propriedades elétricas. As correntes IA e IB representam as correspondentes correntes fluindo de cada uma das partes. VA e VB são as tensões correspondentes (relativas ao mesmo terra) a cada parte do circuito. Por outro lado Ia e Ib são as correntes de um circuito para o outro.
A aplicação de simetria para o comportamento do circuito é baseado em uma premissa filosófica de que a natureza não é perversa, e os elementos do circuito são parecidos operando em condições semelhantes que irão se comportar da mesma forma.
Dois casos ilustram as propriedades do tipo de arranjo simétrico mostrado acima que são de interesse especial. Suponha que os sinais de entrada S1 e S2 estão previstos para o circuito. O sinal real pode ser S1-S2, ou seja, aplicado entre os terminais de entrada, mas é conveniente aqui para fazer referência a cada um separadamente, a um ponto pacífico).
No primeiro caso, o "modo comum", ambos os sinais são os mesmos, ou seja, S1 = S2. No outro caso, o "modo diferencial", os sinais são eletricamente assimétricas, ou seja, S1 = -S2.
Considere o caso de modo comum em primeiro lugar. Por causa da simetria física dos dois meios-circuitos e a simetria elétrica da entrada de sinais de tensões e correntes correspondentes em cada metade do circuito será igual. Assim, por exemplo, Ia = Ib e utilizando a LKC, teremos Ia + Ib = 0, ou seja, a soma das correntes deve ser zero.
A conclusão geral é que não há modo comum de corrente que flui entre as duas metades, mesmo que haja conexões físicas entre eles.
A partir de raciocínio semelhante, a diferença de tensão de modo comum entre os pontos correspondentes em cada meio circuito deve ser zero, ou seja, VA = VB = 0.
O estágio amplificador diferencial (diff-amp), que faz parte do amplificador operacional, provê ao conjunto, um alto ganho de tensão e um modo de rejeição comum (CMRR – Common Mode Rejection Ratio), igualmente alto. Diferentemente dos amplificadores operacionais, o amplificador diferencial possui duas entradas e duas saídas.
OPERAÇÃO BÁSICA DC:
De um modo geral os amplificadores operacionais possuem mais de um estágio diferencial, principalmente os de alto desempenho. Aqui será mostrado o funcionamento de um único estágio diferencial. Abaixo temos três configurações típicas de um estágio diferencial.
Na primeira configuração, vemos as duas entradas aterradas, e os emissores de Q1 e Q2 estarão em -0,7V (VE = VBE). Pode-se observar este valor de tensão no voltímetro conectado junto aos emissores e referenciado a terra (GND).
Nesta condição temos que as tensões e as correntes são idênticas em ambos os ramos. Deve-se levar em conta que Q1 e Q2 possuem o mesmo ganho (β) e está identicamente compensado, o que ocorre durante o processo de fabricação. Dessa forma as correntes de emissor de ambos são idênticas.
Assim temos que:
IE1 = IE2
Como a corrente em ambos os transistores fluem via RE tem-se que IE1 = IE2, logo:
IE1 = IE2 = IRE / 2 Onde:
IRE = VE – VEE / RE Uma vez que IC ≈ IE, pode-se afirmar que:
IC1 = IC2 = IRE / 2
Sendo que as correntes e os resistores de coletor possuem comportamentos idênticos, quando a tensão de entrada é zero, teremos:
VC1 = VC2 = VCC – IC1RC1
Na segunda configuração, a entrada 2 está aterrada (GND) e uma tensão positiva de BIAS é aplicada na entrada 1. A tensão DC de polarização na base de Q1 faz com que a corrente IC1 aumente e eleve a tensão de emissor para:
VE = VBIAS – 0,7V
Esta condição reduz a tensão VBE de Q2, uma vez que sua base está aterrada, fazendo com que IC2 diminua e VC2 aumente. Por sua vez VC1 diminui.
Finalmente na terceira configuração, a entrada 1 está aterrada (GND) e uma tensão positiva de BIAS é aplicada na entrada 2. A tensão DC de polarização na base de Q2 faz com que a corrente IC2 aumente e VE também aumente.
Esta condição reduz a tensão VBE de Q1, uma vez que sua base está aterrada, fazendo com que IC1 diminua e VC1 aumente.
Devemos observar que nas duas últimas configurações as entradas aterradas dos transistores passam para a configuração base comum.
Amplificadores diferenciais possuem três modos de operação que são: Terminação Simples, Terminação Dupla e Modo Comum.
Se um sinal de entrada é aplicado em uma entrada (INPUT 1), com a outra entrada aterrada (INPUT 2 - GND), esta operação é denominada “terminação simples”;
Se dois sinais de entrada de polaridades opostas são aplicados às entradas (INPUT 1 e INPUT 2), a operação é denominada “terminação dupla”;
Se um mesmo sinal de entrada é aplicado a ambas as entradas (INPUT 1 e INPUT 2), a operação é denominada “modo
comum”.
Modo Terminação Simples (Single-Ended Input):
Quando o amplificador diferencial opera neste modo, uma das entradas é aterrada e um sinal AC é aplicado à outra entrada. Neste caso quando o sinal é aplicado à entrada 1, na saída 1 aparece um sinal invertido e amplificado. O mesmo sinal de entrada aparece no emissor de Q1. Como os emissores de Q1 e Q2 estão conectados, este sinal torna-se um sinal de entrada para Q2 que está operando na configuração “base comum”. O sinal é amplificado por Q2 e aparece na saída 2 de forma não invertida.
No caso onde o sinal de entrada é aplicado à entrada 2, e a entrada um está aterrada, o sinal de saída amplificado e invertido aparecerá na saída 2. Nesta condição Q1 estará operando no modo de configuração “base comum” e o sinal amplificado não invertido aparecerá na saída 1.
Modo Terminação Dupla (Differential Input):
Nesta configuração, dois sinais de polaridades opostas (fora de fase) são aplicados às entradas do amplificador diferencial. Este tipo de operação é chamado de terminação dupla ou entrada diferencial. Por sobreposição ambos os sinais de entrada se somam resultando na saída a operação diferencial total.
Modo Comum (Common-Mode Input):
O aspecto mais importante do funcionamento de um amplificador diferencial é o chamado modo comum. Esta condição se aplica a sinais nas entradas com mesma amplitude fase e frequência são inseridos. O resultado de saída são os dois sinais sobrepostos e neste caso os mesmo se cancelam. Deste tipo de operação deriva-se o CMRR – Common Mode Rejection Ratio, ou seja, Razão de Rejeição do Modo Comum.
OPERAÇÃO BÁSICA AC:
O circuito abaixo mostra a configuração AC de um Amplificador Diferencial utilizando transistores bipolares (BJT), a partir da configuração básica DC mostrada anteriormente. Para se fazer a análise deste circuito no modo AC, os transistores são substituídos pelo equivalente AC.
GANHO DE TENSÃO AC COM TERMINAÇÃO SIMPLES:
Para calcular o ganho de tensão AC com terminação simples, onde temos VO/VI, aplica-se um sinal em uma das entradas e a outra permanece aterrada (GND). Seu novo equivalente AC e mostrado na figura abaixo. A corrente de base é calculada aplicando-se a equação da LKT para a entrada da Base 1. Considerando os dois transistores com mesmo beta, teremos:
Ib1 = Ib2 = IB Ri1 = ri2 = ri
Como RE é muito grande, temos:
Vi1 – Ibri – Ibri =0
Logo:
Ib = Vi1 / 2ri
Considerando β1 = β2 = β, IC = βIb = β (Vi1/2ri)
E o sinal de saída será:
VO = ICRC = β (Vi1/2ri)RC
Logo: