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El par diferencial: amplifica la diferencia, descarta lo común

La entrada de un amplificador operacional amplifica solo la diferencia entre sus dos entradas y aplasta lo que ambas comparten. Abres tú mismo la diferencia entre las entradas y sigues cómo aparece una salida diferencial cuando la corriente de cola que comparte el par se inclina hacia un lado.

Abre la diferencia de entrada e inclina la corriente de cola hacia un lado

Las dos ramas de la figura comparten abajo una sola corriente de cola. Al abrir la diferencia de entrada vdiff = v+ − v−, cambia la densidad de los puntos de corriente en cada rama. Si la diferencia es 0, la corriente se reparte por igual a izquierda y derecha, pero si una entrada sube, la corriente se agolpa en esa rama y la salida diferencial, dibujada como una barra, crece en la misma medida.

Entrada diferencial vdiffvdiff = 0 mV
Desvío de corriente y salida diferencial
I1 : I2 = 50 : 50
vod = Ad vdiff (Ad = gm Rd)
Las dos entradas son iguales. La corriente de cola se reparte por igual, las corrientes de las dos ramas coinciden y la diferencia de salida es 0.
Equilibrado · salida diferencial 0

Un par que comparte una corriente de cola

Una etapa diferencial une las fuentes (o los emisores) de dos transistores fabricados igual y cuelga debajo una fuente de corriente de cola que entrega una corriente constante. La corriente total que pueden repartirse las dos ramas siempre la fija esta corriente de cola. Así, cuando una rama toma más, la otra toma exactamente esa cantidad menos. Lo único que deciden las dos entradas es cómo repartir este total fijo entre izquierda y derecha.

Amplifica la diferencia: la corriente se desvía

Cuando una entrada v+ sube por encima de la otra, v−, ese transistor conduce con más fuerza y se lleva más corriente de cola, y la corriente de la rama opuesta baja en la misma cantidad. Con resistencias de carga iguales en las dos ramas, la rama con más corriente tiene más caída de tensión en su resistencia y la que tiene menos corriente, menos, así que la diferencia entre las dos salidas se abre en proporción a la diferencia de entrada. Medida entre las dos salidas, esta ganancia diferencial es Ad = gm Rd, la misma forma que en el amplificador en fuente común. Pero el tramo proporcional está solo cerca del centro. Cuando la diferencia supera unas decenas de milivoltios, casi toda la corriente de cola pasa a un lado y la salida se satura.

Rechaza lo común: CMRR

Ahora supón que las dos entradas suben juntas la misma cantidad. Su diferencia sigue siendo 0, así que no hay razón para inclinar la corriente hacia ningún lado. Además, la fuente de corriente de cola de abajo mantiene constante el total, de modo que cada rama sigue llevando la mitad y la salida diferencial no se mueve. Las señales comunes que llegan por igual a las dos entradas, como el ruido, la deriva térmica o las fluctuaciones de la alimentación, se filtran así. La ganancia diferencial dividida entre la ganancia en modo común es la relación de rechazo en modo común, CMRR, y cuanto mayor, mejor. Una fuente de corriente de cola real no es perfecta y los dos transistores nunca son idénticos, así que algo de la señal común se cuela; por eso la CMRR no es infinita, sino un valor finito que suele expresarse en decibelios. Esta capacidad de amplificar con limpieza solo la diferencia es la razón de que este par sea la etapa de entrada de todo amplificador operacional.

ObservaI1 + I2 = Itail
La suma de las corrientes de las dos ramas siempre la fija la corriente de cola.
Eligevod = Ad ?
La salida diferencial es la diferencia entre las dos entradas, amplificada.
CompletaAd = gm ?
La ganancia diferencial es la transconductancia por la resistencia de carga.
Por tu cuentaCMRR = Ad / ?
La CMRR es la ganancia diferencial dividida entre la ganancia en modo común.

De vuelta a la primera pantalla

Con las dos entradas iguales, la corriente de cola se repartía por igual y la salida diferencial era 0. Al subir una entrada, la corriente se agolpó en esa rama y la salida se abrió en proporción a la diferencia; cuando la diferencia creció, toda la corriente pasó a un lado y la salida dejó de crecer. La clave es la única corriente de cola unida abajo. Como el total siempre es constante, lo que toma un lado lo cede el otro, y esa inclinación es la salida diferencial. Cuando las dos entradas suben juntas, no hay diferencia que incline la corriente y el total no cambia, así que la salida no varía. En este par, que amplifica la diferencia y descarta lo común, empieza la gran ganancia del amplificador operacional que verás a continuación.

Una etapa diferencial es un par de transistores emparejados que comparte una corriente de cola. La diferencia entre las dos entradas, vdiff = v+ − v−, inclina la corriente de cola hacia un lado y produce una salida diferencial vod = Ad·vdiff (Ad = gm Rd). Una señal común, en la que las dos entradas se mueven juntas, no cambia la salida porque la fuente de corriente de cola mantiene constante el total, y por eso se rechaza. La razón entre la ganancia diferencial y la ganancia en modo común es la CMRR, y esta estructura que amplifica solo la diferencia es la etapa de entrada de todo amplificador operacional.

Lo que sigue

Si apilas varias etapas con la gran ganancia diferencial que crea esta etapa, obtienes la ganancia en lazo abierto de un amplificador operacional, una ganancia cercana al infinito. Pero esa ganancia no sale gratis. La próxima unidad trata la realidad de que la ganancia del amplificador operacional cae al subir la frecuencia, y el producto ganancia-ancho de banda (GBW), según el cual la ganancia por el ancho de banda se mantiene constante.