Amplificadores diferenciales: ganancia, amplificador OP y circuito BJT

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Ultima edición el 21 septiembre, 2023

En el mundo de la electrónica, los amplificadores son componentes esenciales para potenciar señales eléctricas. Entre ellos, los amplificadores diferenciales son uno de los más importantes debido a su capacidad para amplificar la diferencia de voltaje entre dos entradas, mientras que rechazan cualquier señal común a ambas. En este artículo hablaremos sobre la ganancia de los amplificadores diferenciales, así como de los amplificadores operacionales (OP) y los circuitos BJT que se utilizan en ellos.

Comenzaremos explicando en qué consiste la ganancia en un amplificador diferencial y cómo se calcula. Luego, profundizaremos en el funcionamiento de los amplificadores operacionales, que son componentes ampliamente utilizados en circuitos electrónicos y en aplicaciones de instrumentación y control. Finalmente, exploraremos los circuitos BJT, que son transistores bipolares de unión que se utilizan en muchas aplicaciones de electrónica, incluyendo los amplificadores diferenciales.

Principales características de los amplificadores diferenciales.

Los amplificadores diferenciales son circuitos electrónicos que se utilizan para amplificar la diferencia de voltaje entre dos señales de entrada. Estos amplificadores son muy comunes en aplicaciones de audio, instrumentación y control.

Ganancia

Una de las principales características de los amplificadores diferenciales es su capacidad para amplificar la diferencia de voltaje entre dos señales de entrada. Esta ganancia se expresa en términos de voltios por voltio (V/V) o en decibelios (dB).

La ganancia de un amplificador diferencial se puede ajustar mediante la selección de los valores de los componentes del circuito. Por ejemplo, la ganancia se puede aumentar mediante el uso de resistencias de mayor valor en la configuración del amplificador.

Amplificador OP

Los amplificadores diferenciales también se pueden construir utilizando amplificadores operacionales (amplificador OP). Estos amplificadores se caracterizan por su alta ganancia y baja impedancia de entrada.

Los amplificadores OP se utilizan comúnmente en aplicaciones de audio, instrumentación y control debido a su alta precisión y estabilidad. Además, los amplificadores OP se pueden utilizar para construir amplificadores diferenciales de alta ganancia y baja distorsión.

Circuito BJT

El circuito de unión bipolar (BJT) también se puede utilizar para construir amplificadores diferenciales. Estos amplificadores se caracterizan por su alta ganancia y baja impedancia de entrada.

Los amplificadores diferenciales BJT se utilizan comúnmente en aplicaciones de audio, instrumentación y control debido a su alta precisión y estabilidad. Además, los amplificadores BJT se pueden utilizar para construir amplificadores diferenciales de alta ganancia y baja distorsión.

Principales características de los amplificadores diferenciales:

  • Capacidad para amplificar la diferencia de voltaje entre dos señales de entrada.
  • Ganancia ajustable mediante la selección de los valores de los componentes del circuito.
  • Amplificador OP: alta ganancia y baja impedancia de entrada.
  • Circuito BJT: alta ganancia y baja impedancia de entrada.
  • Utilizados comúnmente en aplicaciones de audio, instrumentación y control.
  • Capacidad para construir amplificadores diferenciales de alta ganancia y baja distorsión.

Estos amplificadores se pueden construir utilizando amplificadores operacionales o circuitos BJT y se utilizan comúnmente en aplicaciones de audio, instrumentación y control.

Ventajas y desventajas del uso de amplificadores diferenciales.

Los amplificadores diferenciales son unos de los componentes más utilizados en la electrónica analógica. Con ellos, es posible amplificar señales de baja amplitud sin aumentar el ruido y sin distorsionar la señal. Sin embargo, el uso de amplificadores diferenciales también presenta algunas desventajas que es importante tener en cuenta.

Ventajas de los amplificadores diferenciales

  • Ganancia: Una de las principales ventajas de los amplificadores diferenciales es que pueden amplificar señales de baja amplitud. Además, la ganancia se puede ajustar fácilmente mediante el uso de resistencias.
  • Rechazo de modo común: Los amplificadores diferenciales son capaces de rechazar señales de modo común, es decir, señales que aparecen en ambos terminales de entrada.
  • Bajo ruido: Los amplificadores diferenciales suelen tener un bajo nivel de ruido, lo que los hace ideales para aplicaciones en las que se requiere una alta sensibilidad.
  • Estabilidad: Los amplificadores diferenciales son muy estables y pueden trabajar con una amplia gama de voltajes de entrada.

Desventajas de los amplificadores diferenciales

  • Coste: Los amplificadores diferenciales suelen ser más caros que otros tipos de amplificadores.
  • Complicación: Los amplificadores diferenciales son más complicados de diseñar y construir que otros tipos de amplificadores.
  • Limitaciones de frecuencia: Los amplificadores diferenciales tienen limitaciones en cuanto a la frecuencia de la señal que pueden amplificar.
  • Consumo de energía: Algunos amplificadores diferenciales pueden consumir más energía que otros tipos de amplificadores.

Sin embargo, como cualquier componente, también presentan algunas desventajas, como su coste, su complicación de diseño y construcción, y sus limitaciones en cuanto a la frecuencia de la señal que pueden amplificar.

Ganancia y realimentación en amplificadores diferenciales.

Los amplificadores diferenciales son circuitos electrónicos que se utilizan para amplificar señales de entrada diferenciales. Estos circuitos tienen dos entradas y una salida, y están diseñados para amplificar la diferencia de voltaje entre las dos entradas.

Ganancia en amplificadores diferenciales

La ganancia de un amplificador diferencial se define como la relación entre la señal de salida y la señal de entrada. La ganancia se expresa típicamente en decibelios (dB) y se calcula utilizando la siguiente fórmula:

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Ganancia = 20 log (Vout / Vin)

Donde Vout es la señal de salida y Vin es la señal de entrada.

El amplificador diferencial es capaz de amplificar la señal de entrada debido a la presencia de una resistencia de carga en la salida del circuito. Esta resistencia de carga es la que permite que la señal de salida se amplifique en relación a la señal de entrada.

Amplificador OP y circuito BJT

Existen varios tipos de amplificadores diferenciales, entre los más comunes se encuentran el amplificador operacional (OP) y el circuito transistor bipolar de unión (BJT).

El amplificador OP es un amplificador de voltaje que utiliza amplificadores operacionales como componentes principales. Estos amplificadores son amplificadores de alta ganancia que se utilizan en una variedad de aplicaciones, incluyendo la amplificación de señales de audio y la amplificación de señales de instrumentación.

El circuito BJT es un amplificador que utiliza transistores bipolares de unión como componentes principales. Estos transistores son capaces de amplificar señales de alta frecuencia y se utilizan comúnmente en aplicaciones de radiofrecuencia.

Realimentación en amplificadores diferenciales

La realimentación es un proceso por el cual se toma una parte de la señal de salida y se la devuelve a la entrada del amplificador. Esto puede ser útil en la reducción de la distorsión y en la mejora de la respuesta de frecuencia del circuito.

La realimentación se puede lograr utilizando un circuito de realimentación negativa. En este circuito, una parte de la señal de salida se toma y se le aplica una polaridad inversa antes de ser devuelta a la entrada del amplificador. Esto tiene el efecto de reducir la ganancia del amplificador y mejorar la linealidad del circuito.

Un ejemplo de un circuito de realimentación negativa se muestra a continuación:

Figura 1: Circuito de amplificador diferencial con realimentación negativa.

Circuito de amplificador diferencial con realimentación negativa

En este circuito, la señal de salida se toma de la resistencia de carga RL y se le aplica una polaridad inversa a través de la resistencia de realimentación RF. La señal realimentada se devuelve a la entrada inversora del amplificador diferencial a través de la resistencia de realimentación RF.

La realimentación negativa tiene el efecto de reducir la ganancia del amplificador diferencial. Esto puede ser útil en la reducción de la distorsión y en la mejora de la respuesta de frecuencia del circuito.

La ganancia se define como la relación entre la señal de salida y la señal de entrada, y se puede calcular utilizando la fórmula de ganancia. Los amplificadores diferenciales pueden ser construidos utilizando amplificadores operacionales o transistores bipolares de unión. La realimentación puede ser utilizada para reducir la distorsión y mejorar la respuesta de frecuencia del circuito.

Tipos de amplificadores OP y sus características.

Los amplificadores operacionales (OP) son dispositivos electrónicos que se utilizan para amplificar señales eléctricas. Estos dispositivos son ampliamente utilizados en la electrónica de potencia, en el diseño de circuitos de control automático y en la instrumentación electrónica. Los amplificadores OP se pueden clasificar en varios tipos en función de sus características y aplicaciones.

Amplificadores OP de ganancia unitaria

Los amplificadores OP de ganancia unitaria son aquellos que tienen una ganancia de voltaje de uno (1). Estos amplificadores se utilizan principalmente como seguidores de voltaje, es decir, para amplificar señales de entrada sin aumentar su amplitud. La principal característica de estos amplificadores es que tienen una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida muy baja. Esto los hace ideales para aplicaciones en las que se requiere una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida.

Amplificadores OP inversores

Los amplificadores OP inversores son aquellos que tienen una ganancia de voltaje negativa. Estos amplificadores se utilizan para amplificar señales de entrada y cambiar su polaridad. La ganancia de voltaje de un amplificador OP inversor se puede calcular utilizando la fórmula: G = – Rf / Rin, donde Rf es la resistencia de retroalimentación y Rin es la resistencia de entrada. La principal característica de estos amplificadores es que tienen una impedancia de entrada baja y una impedancia de salida alta.

Amplificadores OP no inversores

Los amplificadores OP no inversores son aquellos que tienen una ganancia de voltaje positiva. Estos amplificadores se utilizan para amplificar señales de entrada sin cambiar su polaridad. La ganancia de voltaje de un amplificador OP no inversor se puede calcular utilizando la fórmula: G = 1 + (Rf / Rin), donde Rf es la resistencia de retroalimentación y Rin es la resistencia de entrada. La principal característica de estos amplificadores es que tienen una impedancia de entrada alta y una impedancia de salida baja.

Amplificadores OP de instrumentación

Los amplificadores OP de instrumentación son aquellos que se utilizan en aplicaciones de medición y control de precisión. Estos amplificadores se caracterizan por tener una ganancia de voltaje muy alta y una impedancia de entrada muy baja. Además, tienen una impedancia de salida baja y una alta estabilidad a lo largo del tiempo y la temperatura. Los amplificadores OP de instrumentación se utilizan comúnmente en aplicaciones como la medición de temperatura, la medición de presión y la medición de corriente.

Amplificadores OP de potencia

Los amplificadores OP de potencia son aquellos que se utilizan para amplificar señales de alta potencia. Estos amplificadores se caracterizan por tener una alta capacidad de corriente y una baja ganancia de voltaje. Los amplificadores OP de potencia se utilizan comúnmente en aplicaciones de audio, como amplificadores de guitarra y amplificadores de sonido para sistemas de audio de alta fidelidad.

Circuito BJT y su aplicación en amplificadores diferenciales.

El circuito BJT (Bipolar Junction Transistor) es un dispositivo electrónico que se utiliza especialmente en la fabricación de amplificadores diferenciales. Este tipo de amplificador es muy útil en aplicaciones que requieren una gran precisión en la amplificación de señales.

¿Qué es un amplificador diferencial?

Un amplificador diferencial es un circuito que amplifica la diferencia de voltaje entre dos entradas. Por ejemplo, si tenemos dos señales de entrada A y B, la salida del amplificador será la diferencia entre ambas (A-B). Este tipo de circuitos se utiliza en aplicaciones donde se necesita amplificar solo la señal diferencial y se desea eliminar el ruido que pueda afectar a ambas señales de entrada por igual.

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¿Cómo funciona un circuito BJT?

El circuito BJT está compuesto por tres capas de material semiconductor: una capa de material tipo P (positivo), una capa de material tipo N (negativo) y otra capa de material tipo P. Estas capas forman dos uniones PN, la primera entre la capa P y la capa N y la segunda entre la capa N y la capa P.

El BJT tiene tres terminales: emisor (E), base (B) y colector (C). La corriente fluye desde el emisor hacia el colector cuando se aplica un voltaje positivo a la base. La cantidad de corriente que fluye depende del voltaje aplicado a la base y de la configuración del circuito.

Aplicación de circuitos BJT en amplificadores diferenciales

El circuito BJT se puede utilizar en la fabricación de amplificadores diferenciales gracias a sus características de amplificación y sus propiedades de emparejamiento. Los transistores BJT se pueden emparejar para que tengan características similares, lo que permite que la amplificación sea más precisa y consistente.

En un amplificador diferencial con circuito BJT, se utilizan dos transistores BJT emparejados para amplificar la señal diferencial. El transistor T1 amplifica la señal de entrada A y el transistor T2 amplifica la señal de entrada B. La señal de salida es la diferencia de voltaje entre las salidas de ambos transistores.

El circuito BJT en un amplificador diferencial se puede configurar de varias formas, dependiendo de las necesidades de la aplicación. Algunas de las configuraciones más comunes son:

  • Configuración de emisor común
  • Configuración de colector común
  • Configuración de base común

La elección de la configuración adecuada dependerá de factores como la ganancia requerida, la impedancia de entrada y la impedancia de salida del amplificador.

Conclusiones

El circuito BJT es un componente fundamental en la fabricación de amplificadores diferenciales. La precisión y consistencia de la amplificación en este tipo de circuitos se logra gracias a las propiedades de emparejamiento de los transistores BJT. La elección de la configuración adecuada del circuito dependerá de las necesidades de la aplicación en particular.

Diseño de un amplificador diferencial con circuito BJT.

En el diseño de un amplificador diferencial con circuito BJT, se busca obtener una ganancia diferencial alta y una ganancia en modo común baja. El objetivo es amplificar la diferencia de voltaje entre dos entradas mientras se rechaza cualquier señal que sea común a ambas entradas.

Componentes necesarios:

  • 2 transistores BJT
  • 4 resistencias idénticas
  • 2 resistencias de polarización
  • 2 capacitores de acoplamiento
  • Fuente de alimentación

Pasos para el diseño:

  1. Calcular las resistencias de polarización y las resistencias de carga para los transistores BJT.
  2. Diseñar el circuito de polarización y establecer los valores de las resistencias.
  3. Diseñar el circuito de carga y establecer los valores de las resistencias.
  4. Diseñar el circuito de acoplamiento y establecer los valores de los capacitores.
  5. Simular el circuito en un software de simulación de circuitos para verificar su funcionamiento.
  6. Construir el circuito en una placa de circuito impreso.
  7. Probar el circuito y ajustar las resistencias y capacitores según sea necesario para obtener los resultados deseados.

Ejemplo de circuito:

A continuación se muestra un ejemplo de circuito de amplificador diferencial con circuito BJT:

Circuito amplificador diferencial con circuito BJT

Funcionamiento:

Cuando hay una diferencia de voltaje entre las entradas V1 y V2, uno de los transistores se satura y el otro se corta, lo que permite que fluya una corriente a través de la resistencia de carga correspondiente y se produce una salida diferencial.

El amplificador diferencial con circuito BJT tiene una ganancia diferencial alta y una ganancia en modo común baja, lo que lo hace ideal para aplicaciones en las que se requiere una alta precisión y rechazo de señales en modo común, como en la medición de sensores o en la transmisión de señales de comunicación.

Conclusión:

El diseño de un amplificador diferencial con circuito BJT es una tarea relativamente sencilla, pero requiere un conocimiento básico de electrónica y experiencia en diseño de circuitos. Al seguir los pasos adecuados y verificar el circuito en un software de simulación de circuitos, se puede obtener un amplificador diferencial con un rendimiento óptimo para una variedad de aplicaciones.

Limitaciones y problemas de los amplificadores diferenciales.

Los amplificadores diferenciales son componentes electrónicos muy importantes utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde audio hasta instrumentación, pasando por sistemas de control y telecomunicaciones. Sin embargo, como cualquier otro dispositivo, tienen sus limitaciones y problemas, que es importante conocer para poder diseñar circuitos eficientes y confiables.

Limitaciones de los amplificadores diferenciales

  • Limitación de ganancia: La ganancia de un amplificador diferencial está limitada por la relación de resistencias que se utilice en su diseño. Si se quiere obtener una ganancia mayor, es necesario aumentar la resistencia de carga, lo que puede llevar a problemas de ruido y distorsión.
  • Limitación de ancho de banda: El ancho de banda de un amplificador diferencial está limitado por la velocidad de respuesta de los dispositivos activos que se utilicen en su diseño, como los transistores BJT o los amplificadores operacionales. Si se quiere obtener un mayor ancho de banda, es necesario utilizar dispositivos más rápidos, lo que puede aumentar el costo y la complejidad del circuito.
  • Limitación de voltaje de entrada: Los amplificadores diferenciales tienen un rango de voltaje de entrada limitado, que depende de la alimentación y del diseño del circuito. Si se excede este rango, pueden aparecer problemas de saturación o distorsión.
  • Limitación de temperatura: Los amplificadores diferenciales pueden verse afectados por cambios de temperatura, que pueden alterar su ganancia, su estabilidad y su precisión. Es importante tener en cuenta estos efectos al diseñar circuitos que deban funcionar en condiciones extremas.

Problemas de los amplificadores diferenciales

  • Ruido: Los amplificadores diferenciales pueden verse afectados por diferentes tipos de ruido, como el ruido térmico, el ruido de 1/f y el ruido de disparo. Estos problemas pueden reducir la calidad de la señal amplificada y limitar la precisión del circuito.
  • Distorsión: Los amplificadores diferenciales pueden producir diferentes tipos de distorsión, como la distorsión armónica, la distorsión de intermodulación y la distorsión de fase. Estos problemas pueden alterar la forma de la señal amplificada y reducir la calidad de la señal.
  • Offset: Los amplificadores diferenciales pueden presentar un voltaje de offset, que es una pequeña diferencia de voltaje entre las dos entradas del circuito. Este problema puede afectar la precisión del circuito y reducir su capacidad de rechazo de modo común.
  • CMRR: El CMRR (Common Mode Rejection Ratio) es una medida de la capacidad de un amplificador diferencial para rechazar señales de modo común, es decir, señales que aparecen en ambas entradas del circuito. Este parámetro puede verse afectado por diferentes factores, como la impedancia de entrada, la ganancia y la simetría del circuito.
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Algunos de los problemas más comunes incluyen el ruido, la distorsión, el offset y el CMRR, que pueden afectar la calidad y la precisión de la señal amplificada.

Limitaciones y problemas de los amplificadores diferenciales.

Los amplificadores diferenciales son componentes electrónicos muy importantes utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde audio hasta instrumentación, pasando por sistemas de control y telecomunicaciones. Sin embargo, como cualquier otro dispositivo, tienen sus limitaciones y problemas, que es importante conocer para poder diseñar circuitos eficientes y confiables.

Limitaciones de los amplificadores diferenciales

  • Limitación de ganancia: La ganancia de un amplificador diferencial está limitada por la relación de resistencias que se utilice en su diseño. Si se quiere obtener una ganancia mayor, es necesario aumentar la resistencia de carga, lo que puede llevar a problemas de ruido y distorsión.
  • Limitación de ancho de banda: El ancho de banda de un amplificador diferencial está limitado por la velocidad de respuesta de los dispositivos activos que se utilicen en su diseño, como los transistores BJT o los amplificadores operacionales. Si se quiere obtener un mayor ancho de banda, es necesario utilizar dispositivos más rápidos, lo que puede aumentar el costo y la complejidad del circuito.
  • Limitación de voltaje de entrada: Los amplificadores diferenciales tienen un rango de voltaje de entrada limitado, que depende de la alimentación y del diseño del circuito. Si se excede este rango, pueden aparecer problemas de saturación o distorsión.
  • Limitación de temperatura: Los amplificadores diferenciales pueden verse afectados por cambios de temperatura, que pueden alterar su ganancia, su estabilidad y su precisión. Es importante tener en cuenta estos efectos al diseñar circuitos que deban funcionar en condiciones extremas.

Problemas de los amplificadores diferenciales

  • Ruido: Los amplificadores diferenciales pueden verse afectados por diferentes tipos de ruido, como el ruido térmico, el ruido de 1/f y el ruido de disparo. Estos problemas pueden reducir la calidad de la señal amplificada y limitar la precisión del circuito.
  • Distorsión: Los amplificadores diferenciales pueden producir diferentes tipos de distorsión, como la distorsión armónica, la distorsión de intermodulación y la distorsión de fase. Estos problemas pueden alterar la forma de la señal amplificada y reducir la calidad de la señal.
  • Offset: Los amplificadores diferenciales pueden presentar un voltaje de offset, que es una pequeña diferencia de voltaje entre las dos entradas del circuito. Este problema puede afectar la precisión del circuito y reducir su capacidad de rechazo de modo común.
  • CMRR: El CMRR (Common Mode Rejection Ratio) es una medida de la capacidad de un amplificador diferencial para rechazar señales de modo común, es decir, señales que aparecen en ambas entradas del circuito. Este parámetro puede verse afectado por diferentes factores, como la impedancia de entrada, la ganancia y la simetría del circuito.

Algunos de los problemas más comunes incluyen el ruido, la distorsión, el offset y el CMRR, que pueden afectar la calidad y la precisión de la señal amplificada.

En conclusión, los amplificadores diferenciales son una herramienta fundamental en la electrónica moderna. Con su capacidad de amplificar señales diferenciales y rechazar señales comunes, son ampliamente utilizados en aplicaciones de audio, instrumentación y comunicaciones. Tanto los amplificadores operacionales como los circuitos BJT pueden ser utilizados para construir amplificadores diferenciales, y la elección depende de las necesidades específicas del diseño. Una vez que se entienden los principios detrás de estos amplificadores, se puede utilizar su ganancia y capacidad de rechazo de señal común para resolver muchos problemas de diseño en el campo de la electrónica.

En conclusión, los amplificadores diferenciales son componentes esenciales en la electrónica moderna. Su capacidad para amplificar señales diferenciales mientras rechazan señales comunes los hace ideales para aplicaciones de alta calidad, como la amplificación de señales de audio y la detección de señales débiles en instrumentación científica. Los amplificadores operacionales y los circuitos BJT son dos tipos comunes de amplificadores diferenciales utilizados en la industria, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. La ganancia de un amplificador diferencial depende de la configuración del circuito y del valor de las resistencias utilizadas. En general, los amplificadores diferenciales son útiles para amplificar señales pequeñas y diferencias de voltaje, lo que los hace ideales para aplicaciones que requieren una alta precisión y una buena relación señal-ruido.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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