Ao examinar um amplificador operacional do tipo integrado, deparamos sempre com uma etapa amplificadora diferencial na sua entrada, constituída por dois ou quatro transistores, numa configuração bastante característica, raramente observada em outros casos. Por que usar uma configuração deste tipo num amplificador operacional? Que excepcionais características, apresenta um circuito desse tipo que o tornam quase obrigatório nos circuitos lineares, especificamente nos amplificadores operacionais? Neste artigo, baseados em informações do Manual de Circuitos Integrados Lineares RCA, daremos algumas das propriedades elétricas principais, dos circuitos amplificadores diferenciais e falaremos do porque de sua utilização na maioria dos circuitos integrados lineares.
O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
Em se tratando de circuitos integrados, a configuração do amplificador diferencial, pode ser considerada ideal por uma série bastante convincente de razões.
Podemos citar, por exemplo, o balanceamento inerente da tensão base emissor e também o ganho por igual dos transistores em condições de curto-circuito.
Os dois transistores, podem ser praticamente idênticos - no que se refere as propriedades elétricas - dada a possibilidade de serem fabricados simultaneamente na mesma pastilha e em posição muito próxima.
A configuração, por outro lado, exige poucos capacitores e resistores de grande valor o que simplifica bastante a sua fabricação segundo a técnica do circuito integrado.
O ganho de um amplificador diferencial é também função da relação entre as resistências de coletor, e não de seu valor absoluto.
Em vista disso, pelo reduzido número de componentes, o amplificador diferencial, se torna ideal para um processamento monolítico, o que explica sua escolha pela maioria dos fabricantes, como base dos circuitos integrados lineares (figura 1).
Sua versatilidade em termos de comportamento elétrico, também é excepcional.
Com efeito, os amplificadores diferenciais, podem proporcionar amplificação linear, desde sinais de corrente continua, até sinais de frequências correspondentes a faixa de VHF.
Com isso, eles se adaptam perfeitamente as mais diversas funções como multiplicadores de frequência, limitadoras de sinal, moduladores em amplitude, detecção de produto, geradores de sinais, etc.
Além disso, torna-se extremamente simples, as configurações capazes de determinar o seu ganho, a compensação de temperatura ou o silenciamento.
A configuração diferencial possibilita por suas características elétricas, excelente isolamento da saída em relação a entrada, elimina a necessidade de neutralização e simplifica bastante a disposição dos circuitos de realimentação.
O casamento dos coeficientes de temperatura (dos componentes fabricados numa mesma pastilha de silício), assegura características elétricas estáveis, numa ampla gama de temperaturas de funcionamento.
FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO
Na figura 2, temos a configuração básica de um amplificador diferencial balanceado, do tipo normalmente encontrado quando se deseja ganho de sinal num circuito integrado linear.
Esta configuração é a base de Inúmeros circuitos utilizados, com as mais diversas finalidades e encontrados com as mais diversas especificações, desde aplicações em corrente continua, até sinais de altas frequências.
Analisemos seu princípio de funcionamento.
Q1 e Q2, constituem o par diferencial, cada um funcionando de modo similar a uma configuração de componentes discretos, até o momento que seus emissores são interligados.
Evidentemente, neste caso, como os dois transistores são fabricados numa mesma pastilha simultaneamente, suas características elétricas são bastante semelhantes, com o que um casamento perfeito no que se refere ao seu comportamento pode ser feito (o que não seria possível de modo tão bom se fossem usados transistores discretos).
As correntes dos transistores Q1 e Q2, acoplados pelo emissor, são provenientes de uma fonte de corrente constante, formada por um terceiro transistor e um resistor (figura 3).
Redes de compensação de temperatura, de modo a assegurar constância de funcionamento em função das variações das condições ambientes, podem ser agregadas a este circuito básico. Entretanto, para facilidade de explicação, inicialmente as omitimos.
O amplificador da figura 2 está conectado de modo a funcionar com uma fonte simétrica de alimentação, e de polaridade oposta. Ressaltamos porém, que é possível fazer a alimentação de um amplificador diferencial, com uma fonte simples desde que uma rede de polarização de base para os transistores, seja agregada.
Na análise do amplificador diferencial simétrico, consideramos dois circuitos independentes, sendo um formado pelo transistor Q1 e seu resistor de coletor R1 e o outro pelo transistor Q2 e pelo seu resistor de coletor R2.
Se as características dos dois transistores forem absolutamente idênticas, os circuitos comportam-se como divisores de tensão de mesmas características e podemos interligar seus emissores, alimentando os circuitos com a mesma fonte.
Agora, se duas tensões de entrada Vg11 e Vez ambas nulas, ou de mesmo valor e polaridade, forem estabelecidas nas entradas do par de transistores, o amplificador não perde sua condição de equilíbrio, porque é mantida a igualdade entre as correntes de coletor Ic1 e Ic2 e, portanto, a diferença de potencia entre os coletores de Q1 e Q2 é mantida nula (figura 4).
Pela figura 2, vemos que a soma entre a corrente de emissor de Q1 e Q2, deve resultar na corrente fornecida pela fonte lo, que é constante.
Assim, se houver um aumento da corrente de coletor de um dos transistores, é evidente que a corrente do outro emissor, deve diminuir na mesma proporção.
A qualidade da fonte de corrente constante, influi bastante na eficiência desse processo, que é de fundamental importância para o comportamento elétrico de um amplificador-diferencial.
Assim, quando a base de Q1 se torna positiva em relação a base de Q2 (entrada diferencial), aumenta a corrente através de Q1 enquanto que a corrente de Q2 diminui na mesma proporção, mantida ainda a soma entre ambas igual a lo, com o que o divisor de tensão formado pelos dois transistores é desequilibrado.
Nestas condições, Ic1 é maior que lc2 aparecendo uma diferença de potencial entre os coletores dos dois transistores, sendo o coletor de Q2, positivo em relação ao coletor de Q1 (figura 5).
A aplicação de uma entrada diferencial, produz em consequência o aparecimento de uma saída diferencial.
Este é exatamente o princípio de funcionamento do amplificador diferencial na sua aplicação fundamental, sendo esta denominada como entrada e saída diferenciais;
O amplificador diferencial e entretanto, uma configuração bastante versátil que oferece outras possibilidades de conexão, que descrevemos a seguir:
a) Por exemplo, se somente a tensão V1 aumentarem relação à massa.a tensão de coletor de Q1, diminui com relação a mesma referência. Tomando a saída do coletor de Q1, em relação à massa, o amplificador funciona como uma etapa simples do modo convencional, com inversão de fase.
Este modo de funcionamento, é conhecido como entrada e saída simples com inversão de fase (figura 6).
b) Como o aumento da corrente em Q1, provoca uma diminuição da corrente de Q2 (de modo que a soma seja mantida constante.), uma tensão incremental positiva em Vb1 , provoca um aumento da tensão de coletor de Q2, em relação a massa.
Tornando a saída no coletor de Q2, o modo, de funcionamento do amplificador diferencial pode ser dito como: entrada e saída simples sem inversão de fase (figura 7).
c) Também podemos utilizar o amplificador diferencial, segundo o modo de entrada diferencial e saída simples. Neste caso, a saída é tomada do coletor de Q1 ou de Q2, conforme queiramos ou não inversão de fase, e é aplicada uma entrada diferencial (Vb1 – Vb2), entre as bases dos transistores.
A relação existente entre a variação da tensão de entrada e a variação da tensão de saída (a primeira expressa como a diferença entre as tensões de base e a segunda expressa como a variação das tensões de coletor em relação a terra) é denominada ganho diferencial de tensão (Ad ).
Se a tensão de entrada é tomada como a tensão entre as bases, e a tensão de saída como a diferença de tensão entre os coletores, a relação é denominada ganho de tensão diferencial com saída simétrica (Aose).
Se a tensão for tomada de um coletor em relação a massa, temos o ganho de tensão diferencial com saída simples (Adse)
CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERENCIA
A variação das correntes de coletor Ic1e Ic2 em função da diferença entre as tensões de entrada (Vb1 – Vb2 ), é uma das características mais importantes na descrição do funcionamento de um amplificador diferencial.
A corrente circulante pelo coletor, pode ser expressa em função da corrente circulante pelo emissor do transistor, tomando-se como base a relação normal de ganho para um transistor, ou seja:
(I)
IC1 = α 1 IE1
IC2 = α 2 IE2
Nesta expressão, o fator α (alfa), representa a fração. da corrente de emissor que circula pelo coletor.
Se, no amplificador diferencial Q1 e Q2 são iguais, então ?1 = ?2 = ? e, portanto, as relações entre as correntes de emissor e as, correntes de coletor podem ser escritas como:
(II)
IC1 = αI E1ou IE1= IC1 / α
IC2 = αI E2ou IE2= IC2 / α
Podemos também escrever, uma equação que relaciona a corrente de emissor, Ie, com a tensão base-emissor Vbe
(III)
IE = IS( VBE/eh - 1)
Nesta expressão ls, é a corrente de saturação da junção base-emissor, ou seja, a corrente de fuga inversa do diodo emissor-base.
h, é dado pela expressão h=kT/q onde T é a temperatura da junção em graus Kelvin e k a constante de Boltzmann (k =1,38x 10-22 Ws/ºC) e q a carga do eletron (q ==1,6 x 10-19 C).
Para uma temperatura de 300ºK (aproximadamente 27ºC), a corrente de fuga ls é da ordem de 0,2 x 10-5 A, para os transistores monolíticos típicos e o fator tem um valor da ordem de 26 x 10-23 V.
Para uma corrente de emissor Ie maio que 1 nA, pode ser desprezada na equação o termo "-1" e a corrente de emissor de Q1 e Q2 pode ser dada por uma relação simplificada:
(IV)
IE1 = IS1(eVBE1/h)
IE2 = IS2(eVBE2/h)
Para o caso dos transistores serem idênticos, Is1 = Is2 = Is as expressões de (IV) podem ser escritas como:
(V)
IE1 = IS(eVBE1/h)
IE2 = IS(eVBE2/h)
Segundo foi explicado anteriormente, a corrente da fonte Io deve ser igual a soma das correntes dos emissores de Q1 e Q2 e, portanto, a sua expressão pode ser escrita do seguinte modo:
(VI)
IO = IS(eVBE1/h) + IS(eVBE2/h)
IO = IS(eVBE1/h + eVBE2/h)
Podemos nesta expressão, colocar o termo Is em evidência de modo que a equação passará a ser escrita como:
Como demonstramos anteriormente:
Se nas equações anteriores substituirmos Ie1 e Ie2 por seus valores dados segundo as seguintes expressões,
Observando a figura 2, torna-se evidente, que as tensões base-emissor Vbe1 Vbe2 podem ser expressas em função das tensões de entrada Vb1 e Vb2 do seguinte modo:
Utilizando estas equações, podemos expressar a corrente da fonte lo em função da tensão existente entre as entradas, ou seja, em função da tensão diferencial:
Resolvendo-se as equações anteriores para I1 = I2 = I podemos obter as expressões da corrente de coletor dos dois transistores em função da tensão de entrada diferencial:
A figura 8 mostra a curva obtida para IcI e lc2 em unidades do fator h (h = kT/q), para as equações anteriores.
Essas curvas de transferências são bastante importantes no que se refere as informações que podem fornecer sobre o funcionamento de um amplificador diferencial.
São as Seguintes as características que podemos extrair das curvas:
a) As características de transferência da figura 8, são lineares em uma região central, em torno do ponto de funcionamento .
Para as curvas indicadas (KT/q = 26 mV), a região linear corresponde aproximadamente a uma excursão da tensão de entrada de 50 mV (pico a pico).
b) A máxima pendente das curvas que ocorre no ponto de funcionamento nos permite definir a transcondutância efetiva do amplificador diferencial.
c) A pendente das curvas de transferência (transcondutância) depende do valor da corrente lo fornecida pela fonte de corrente constante e pode ser variada modificando-se esse valor, sem afetar a região linear. Esta relação, implica na possibilidade de se obter um controle de ganho do amplificador mediante a variação da corrente lo.
d) As funções de transferência e as suas pendentes, são função do fator αr e da temperatura, ambos previsíveis, e de duas constantes físicas.
e) O amplificador diferencial, comporta-se como um limitador natural já que, com entradas maiores que +/- 4 kT/q (aproximadamente 100 mV para as curvas mostradas), não se obtém aumentos adicionais da tensão de saída.
f) A corrente de saída de um amplificador diferencial, é igual ao produto da tensão de entrada pela transcondutância. Num amplificador diferencial, a transcondutância é proporcional a corrente da fonte lo, o que quer dizer que o circuito pode ser utilizado como misturador, multiplicador de frequência, modulador ou de detector de produto, bastando para isso, se fazer ló de multiplicando, e a forma de onda de entrada de multiplicador.
No ponto de funcionamento (Vlb1 – Vb2)=O a transcondutância toma seu valor máximo, denominado transcondutância máxima que pode ser expressa pela equação:
Para uma temperatura de funcionamento de 225ºC, esse valor pode ser calculado com aproximação pela expressão:
As equações anteriores revelam que para um mesmo valor da corrente de fonte lo, a transcondutância efetiva do amplificador diferencial é a quarta parte do valor correspondente a um único transistor.
Estas condições ocorrem porque no ponto de funcionamento, a corrente lo se divide em partes iguais entre os transistores, e a tensão de entrada fica também aplicada (em ambos), em partes iguais.
Quando se faz funcionar o amplificador de modo a se obter uma saída simétrica entre os coletores dos transistores do par diferencial, as correntes de saída através da impedância de carga, contribuem com partes iguais para a tensão de saída de cada transistor.
Como resultado se obtém uma tensão de saída correspondente ao dobro da que seria obtida em terminação simples. Esta duplicação da tensão de saída se produz porque se dobra a impedância de carga, e não por um aumento da transcondutância.
Sem dúvida, se uma impedância de carga de valor reduzido e ligada entre os coletores dos dois transistores, em relação aos valores dos resistores de alimentação de coletor em paralelo, a corrente de carga, fica sendo o dobro da corrente obtida com terminação simples, para um mesmo sinal de entrada.
Esta condição, pode ser esquematizada definindo-se uma transcondutância efetiva aparente (Gm(ap)), que no circuito da saída pode ser expressa como:
Publicado originalmente em 1976
