Dispozitive și Circuite Electronice

Amplificatorul diferenţial este un bloc electronic fundamental, utilizat în diverse aplicaţii, în special în structura internă a circuitelor integrate analogice. Amplificatorul diferenţial are două intrări şi una sau două ieşiri, caracteristic acestuia fiind faptul că amplifică diferenţa între cele două semnale aplicate la intrările circuitului. Schema de bază a acestui amplificator este prezentată în figura #-1, unde tensiunile de intrare s-au notat cu vI1, respectiv vI2, iar tensiunile de ieşire cu vO1, respectiv vO2. Se observă că amplificatorul are structura unei punţi realizate din cele două tranzistoare Q1 şi Q2 şi cele două rezistenţe RC. Dacă se consideră tensiunea de ieşire ca fiind tensiunea de pe diagonala punţii (între colectoarele tranzistoarelor), atunci, pentru cazul ideal al unui etaj perfect simetric (tranzistoarele şi rezistenţele din colector identice), funcţionarea amplificatorului devine independentă de condiţiile de lucru (variaţia temperaturii sau a surselor de alimentare) şi insensibilă faţă de semnalele parazite.

Circuitul este alimentat de la două surse de alimentare. Polarizarea celor două tranzistoare în RAN este asigurată de către sursa de curent IEE a cărei rezistenţă internă este RE.

Funcţionarea circuitului în regim staţionar (sau în regim de semnal mare) este descrisă de caracteristicile statice de transfer ale acestuia.

O primă caracteristică statică de transfer exprimă dependenţa curenţilor de colector ai celor două tranzistoare (iC1, respectiv iC2) de tensiunea aplicată între bazele tranzistoarelor vId=vI1-vI2, numită şi tensiune diferenţială de intrare. Considerând sursa de curent ideală (RE) şi etajul perfect simetric, curenţii de colector ai tranzistoarelor vor depinde de tensiunea diferenţială de intrare conform următoarelor legi:

(#.1)

unde F reprezintă amplificarea în curent a tranzistoarelor în conexiunea BC, iar VT tensiunea termică (VT=25mV la temperatura T=250C).

Dependenţa acestor curenţi de tensiunea de intrare diferenţială normată la tensiunea termică este prezentată în figura #-2.

Din figura de mai sus se observă că amplificatorul diferenţial funcţionează liniar în jurul PSF-ului (când vId=vI1-vI2=0). Regiunea de funcţionare liniară corespunde unei tensiuni vId=2VT=50mV (T=250C), valoare vârf la vârf. Pentru tensiuni de intrare având amplitudini mai mari de 4VT=100mV (T=250C), curenţii de colector devin independenţi de tensiunea de intrare, întregul curent debitat de sursa de curent trecând printr-un singur tranzistor celălalt fiind blocat, în funcţie de sensul de variaţie al tensiunii de intrare diferenţiale.

O altă caracteristică de transfer este cea care exprimă dependenţa dintre tensiunea de ieşire diferenţială vOd=vO1-vO2 şi tensiunea de intrare diferenţială:

(#.2)

Din caracteristica de mai sus se observă un avantaj important al amplificatorului diferenţial şi anume că în PSF tensiunea de ieşire diferenţială este nulă, ceea ce permite conectarea directă în cascadă a mai multor astfel de etaje (nu sunt necesare condensatoare de cuplaj). În realitate însă, etajul de amplificare nu este perfect simetric şi din acest motiv tensiunea de ieşire diferenţială este nenulă în PSF. Pentru ca această tensiune să se anuleze este necesar ca la intrarea amplificatorului să existe o tensiune diferenţială nenulă. Tensiunea de intrare necesară anulării tensiunii de ieşire se numeşte tensiune de ofset.

Domeniul liniar de funcţionare poate fi extins înseriind între emitoarele celor două tranzistoare şi sursa de curent câte o rezistenţă (între punctele A şi B). Se constată că regiunea liniară creşte direct proporţional cu valoarea rezistenţei, în timp ce amplificarea etajului se micşorează. Aşa cum se observă şi din figura #-3 (linie punctată) panta caracteristicii de transfer scade.