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Amplificador Operacional  
Aula 01:Amplificador Diferencial com Transistores
Refererencia
UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555  - Albuquerque e Seabra - Ed. Erica

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 vS.  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.


 
Figura 1 -  Amplificador diferencial  ideal

No caso ideal         Vs=Ad.Vd=Ad.(V1 - V2)                onde    
Ad=Ganho diferencial de tensão
Vd=V1 - V2 = sinal diferença  ou sinal erro  
Se V1=V2          então   Vd=0             e              portanto  Vs=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:  

Vs=Ad.Vd + Ac.Vc   
onde                                                                                               
Vc = (V1 + V2)/2= sinal em modo comum    e              Ac=Ganho em modo comum.
Está claro pelo exposto que no caso de um AD ideal o valor  de Ac=0.
Os valores de Ad e Ac dependem dos componentes usados  na construção do AD, como veremos a seguir.
No circuito da Figura 2   vamos admitir que os transistores são  iguais e que a fonte de corrente é ideal    (Ie1+Ie2=IO=constante).


Figura  2 - Amplificador    diferencial discreto

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 Figura 3  mostra as principais formas de onda do circuito considerando essas  entradas.

   Quando V1=V2= E, os dois transistores conduzirão  a mesma  corrente     (IE1 = IE2 = IO/2), pois  admitimos inicialmente transistores idêntico, nessas condições  a tensão  do coletor para o terra  de cada transistor será igual a

   VS1=VS2= VCC - RC.IO/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 IC1 aumentará, diminuindo VS1 (não esqueça  VS1=VCC - RC.IC1 ) e por  força da fonte de corrente,   IC2 diminuirá (não esqueça que  IO=IE1 + IE2=constante,  se IE1 aumentar  IE2 deve diminuir),  aumentando Vs2.
   Da Figura 2   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 :
 
Ad =Vs1pp/VM1  = VS2pp/VM1  (VS1pp=VS2pp)  

VS1= saída        VM1 = valor de pico da entrada  1

   Se a saída for entre  os coletores o ganho será duas vezes maior. A figura 3  mostra  as principais formas de onda, Vs1(t)  e Vs2(t). De cima para baixo:
 


                                            ( a )                                                                                                     ( b )
Figura 3 - ( a ) Amplificador diferencial discreto ( b ) Formas de onda nos dois coletores

Dos gráficos da  Figura 3  também concluímos  que o sinal na saída 1, Vs1, está defasado de 180º em relação  à entrada1, V1, e o sinal na saída 2, Vs2, 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 real           
Na pratica  os transistores nunca serão iguais e a fonte de corrente não será  ideal. A Figura 4   mostra o circuito de um AD pratico. Neste circuito a fonte -VCC junto com RE simulam a fonte de corrente.


Figura 4 -  Amplificador diferencial discreto com fonte de corrente real

O valor da fonte de corrente é calculado fazendo-se V1=V2= 0 (condições quiescentes), resultando:           

IO= (VCC - 0,7)/RE
VCC/RE

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

             Ad = VS1/(v1 - v2) =VS2/(v1 - v2) RC/2.re       
          
onde        re= resistência incremental  da junção base emissor podendo o seu valor ser estimado por:  
                        
                           re=25mV/IE  a 25ºC   

sendo IE= a corrente quiescente de emissor.

Ou em função  dos parâmetros h (híbridos) :


Ad = hfe.RC/2.hie              sendo     re=hie/hfe

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

Ac = RC/2.RE

    Como é desejável   um Ac o menor possível   estaríamos   tentado    a aumentar RE o máximo possível, mas isso provocaria uma diminuição  nas correntes de polarização, diminuindo o ganho. Para manter  o mesmo valor de corrente, se RE aumentar, devemos aumentar proporcionalmente VCC, o que na prática não   é possível .

2.1. Polarização por Espelho de Corrente
     Uma possível  solução é substituir RE por um transistor Q3  que simula  uma alta resistência, sem que seja   necessário um valor alto de VCC. Desta forma se obtém  um a valor de Ac muito baixo. O circuito da Figura 5 é chamado de   amplificador diferencial com polarização  por espelho de corrente, sendo muito usado em circuitos integrados e permite  obter ganhos elevados.


Figura 5 -  Amplificador diferencial discreto com polarização por espelho de corrente

A polarização por espelho de corrente é eficaz quando existe casamento perfeito entre os dois transistores TR3, isto é, o VBE3 é o mesmo.

3. Amplificador diferencial com realimentação
    O circuito da  Figura 4 tem um ganho instável por que o valor de re 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 Figura 6. Neste circuito a realimentação  existente através de RE1 e RE2  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).



Figura 6 -  Amplificador  diferencial com realimentação

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

Ad = RC/2.(re+ RE)

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

Ad = RC/2.RE                    ou em função dos  parâmetros h

Ad = RC/2.(hie/hfe   + RE)


4. Experiência:  Amplificador  Diferencial  Parte 1:  Medida das correntes
4.1. Abra o arquivo    expAO_01 AD trs iguais, identifique o  circuito da figura 7.  Calcule todos os valores pedidos da Tabela 1 e em seguida  execute uma simulação. Meça todos os valores e indique  Tabela 1. Os transistores são iguais.

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Figura 7 - Amplificador diferencial com transistores iguais

Tabela 1 -  Amplificador diferencial - medida dos valores  quiescentes  - transistores iguais
Valores             Calculados
Valores             Medidos
IC1(mA)
IC2(mA)
VCE1(V)
VCE2(V)
I0(mA)
IC1(mA)
IC2(mA)
VCE1(V)
VCE2(V)
I0(mA)



4.2. Abra o arquivo   expaAO_02  AD trs diferentes,   identifique o circuito da figura 8, a seguir. Calcule todos os valores pedidos da Tabela 2. Observe que os transistores  são diferentes pois apresentam corrente de saturação diferentes  (TR1 tem IS=1 nA e TR2 tem Is=3 nA). Use os mesmos dados do item 4.1 para efetuar  os calculos. Os transistores são diferentes.

Figura 8 - Amplificador diferencial com transistores iguais
Tabela 2 -  Amplificador diferencial - medida dos valores  quiescentes  - transistores diferentes
Valores             Calculados
Valores             Medidos
IC1(mA)
IC2(mA)
VCE1(V)
VCE2(V)
I0(mA)
IC1(mA)
IC2(mA)
VCE1(V)
VCE2(V)
I0(mA)



4.4. Abra o arquivo  expAO_3  AD com realimentação, identifique o circuito da figura 9,  (amplificador diferencial com realimentação) a seguir. Calcule todos os valores pedidos  da Tabela 3. 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. Meça  todos os valores da Tabela  3. Os transistores são diferentes.

Figura 9 - Amplificador diferencial com transistore diferentes circuito com realimentação

Tabela 3 -  Amplificador diferencial - medida dos valores  quiescentes  - transistores diferentes circuito com realimentação
Valores             Calculados
Valores             Medidos
IC1(mA)
IC2(mA)
VCE1(V)
VCE2(V)
I0(mA)
IC1(mA)
IC2(mA)
VCE1(V)
VCE2(V)
I0(mA)



5. Experiência:  Amplificador  Diferencial  Parte 2:  Medida do ganho  com transistores iguais
5.1. Abra o arquivo expAO_04 AD Medida ganho trs iguais, identifique  o circuito da figura 10. Calcule o ganho diferencial considerando a saida em um dos coletores  e anote o resultado na Tabela 4.
5.2. Meça  o valor de pico a pico da tensão de  entrada (V1) e da tensão de pico a pico nos coletores, VC1 e VC2 anotando  os valores na Tabela 4.
Observe que as amplitudes são iguais nos dosi coletores, mas defasadas de 180 graus.


Figura 10 - Amplificador diferencial sem   realimentação - medida do ganho - transistores iguais

Tabela 4 -  Amplificador diferencial  com transistores iguais - calculo e medida do  ganho de tensão
Valores             Calculados
Valores             Medidos
IE(mA)
re= 25mV/IE
Ad =RC/2.re
Ad1=VC1/Ve
Ad1=VC1/Ve



5.2. Abra o arquivo ExpAO_05 AD medida ganho trs diferentes,  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 5 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.
Observar que as amplitudes são diferentes nos dois coletores bem como o ganho. Isso se deve ao fato dos transistores serem diferentes.


Figura 11 - Amplificador diferencial sem   realimentação - medida do ganho - transistores diferentes
Tabela 5 -  Amplificador diferencial  com transistores diferentes - calculo e medida do  ganho de tensão
Valores             Calculados
Valores             Medidos
IE(mA)
re= 25mV/IE
Ad =RC/2.re
Ad1=VC1/Ve
Ad1=VC1/Ve



5.3. Abra o arquivo  expAO_06 AD com   realimentação  medida do ganho  trs deferentes, 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 6 os valore calculados e simulados do ganho.  Observe que os transistores são diferentes e o circuito apresenta  realimentação. Use os valores medidos de IE1  e IE2 em 4.6  para  calcular  o ganho em cada coletor.  (para calcular  usar a equação).
Observar que aas amplitudes ainda são diferentes, mas as diferenças agora são menores devido à realimentação. O ganho diminui, mas as diferenças entre as amplitudes dos dois sinais nos coletores diminui.

Figura 12 - Amplificador diferencial com   realimentação - medida do ganho - transistores diferentes
Valores             Calculados
Valores             Medidos
IE(mA)
re= 25mV/IE
Ad =RC/2.(re+ RE)   
Ad1=VC1/Ve
Ad1=VC1/Ve



5.4. Conclusões:
UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555  - Albuquerque e Seabra - Ed. Erica
 
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