El par diferencial: amplifica la diferencia, descarta lo común
Separa las entradas y desvía la corriente
El par de abajo comparte una sola corriente de cola. Separa la diferencia de entrada vdiff = v+ − v−. Cuando la diferencia es cero la corriente se reparte por igual a izquierda y derecha, pero al subir una entrada la corriente se desvía a esa rama y aparece una salida diferencial.
Un par que comparte una corriente de cola
Un par diferencial une las fuentes (o emisores) de dos transistores idénticos y cuelga debajo una única fuente de corriente de cola constante. La suma de la corriente que las dos ramas pueden usar siempre está fijada en esta corriente de cola. Así, si una rama toma más, la otra toma exactamente esa cantidad menos. Las dos entradas solo deciden cómo se reparte esta suma fija a izquierda y derecha.
Amplifica la diferencia: la corriente se desvía
Cuando una entrada v+ sube por encima de la otra v−, ese transistor conduce más fuerte y toma más de la corriente de cola. La rama opuesta pierde exactamente esa cantidad. Con resistores de carga iguales en las dos ramas, la rama con más corriente cae más voltaje y la otra menos, así que la diferencia de las dos salidas se ensancha en proporción a la diferencia de entrada. Esta ganancia diferencial es Ad = gm Rd, la misma forma que la del amplificador en fuente común.
Rechaza lo común: CMRR
Ahora supón que ambas entradas suben juntas la misma cantidad. La diferencia entre ellas sigue siendo cero, así que no hay razón para desviar la corriente a ningún lado. Además, la fuente de corriente de cola de abajo mantiene la suma constante, así que las dos corrientes de rama siguen siendo una mitad igual cada una. La salida diferencial, por tanto, no se mueve. Las señales comunes que viajan por igual en ambas entradas, como ruido, deriva térmica y oscilación de alimentación, se rechazan así. La razón entre la ganancia diferencial y la de modo común es la razón de rechazo de modo común, CMRR, y cuanto mayor sea, mejor. Esta propiedad de amplificar limpiamente solo la diferencia es la razón por la que un par diferencial es la etapa de entrada de todo amplificador operacional.
De vuelta a la primera pantalla
Cuando las dos entradas eran iguales, la corriente de cola se repartía por igual y la salida diferencial era cero. Al subir una entrada, la corriente se desvió a esa rama y la salida se ensanchó en proporción a la diferencia. El secreto es la única corriente de cola atada debajo. La suma es siempre constante, así que lo que una rama toma la otra lo cede, y esa inclinación es la salida diferencial. Pero cuando ambas entradas suben juntas, no hay diferencia que desvíe y la suma está fija, así que la salida no se mueve. Este par, que amplifica solo la diferencia y descarta lo común, es la etapa de entrada donde comienza la enorme ganancia del amplificador operacional que veremos a continuación.
Lo que sigue
Apilar la gran ganancia diferencial del par diferencial en varias etapas da la ganancia en lazo abierto casi infinita de un amplificador operacional. Pero esa ganancia no es gratis. La siguiente unidad mira la realidad de que la ganancia de un op-amp cae al subir la frecuencia, y el producto ganancia-ancho de banda (GBW), donde el producto de ganancia y ancho de banda se mantiene constante.