Construa um Amplificador Diferencial de Alto Ganho que Funciona como Amp-Op

Peças e Materiais

• Duas baterias de 6 volts
• Quatro transistores NPN – modelos 2N2222 ou 2N3403 (Radio Shack catálogo #276-1617 fornece pacote conveniente de quinze NPNs)
• Dois transistores PNP – modelos 2N2907 ou 2N3906 (Radio Shack catálogo #276-1604 oferece pacote de quinze PNPs)
• Dois potenciômetros de 10 kΩ, volta única, linear (Radio Shack catálogo #271-1715)
• Um resistor de 270 kΩ
• Três resistores de 100 kΩ
• Um resistor de 10 kΩ

Referências Cruzadas

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, capítulos 4 "Bipolar Junction Transistors" e 8 "Operational Amplifiers".

Objetivos de Aprendizado

• Projetar um amplificador diferencial que use espelhos de corrente.
• Explorar como realimentação negativa molda o comportamento de um amplificador diferencial de alto ganho.

Diagrama Esquemático

Ilustração

Instruções

Este design aprimora o amplificador diferencial anterior substituindo resistores de queda de tensão por redes de espelho de corrente, resultando em maior ganho de tensão e desempenho mais previsível.

Com seu ganho aumentado, o circuito pode operar como um amplificador operacional (amp-op) funcional. Amp-ops são a pedra angular da eletrônica analógica moderna, então entender sua estrutura interna é inestimável.

O par PNP Q1 e Q2 forma um espelho de corrente que mantém as correntes através do par diferencial Q3 e Q4 balanceadas. O par NPN Q5 e Q6 fornece um segundo espelho de corrente que fixa a corrente total do par diferencial via resistor programável R_prg.

Meça a tensão de saída (coletor de Q4 em relação ao ground) enquanto varia as duas tensões de entrada. Observe que um potenciômetro atua como entrada não-inversora, enquanto o outro serve como entrada inversora.

A saída responde mais fortemente quando as duas entradas são quase iguais – este é o modo diferencial. Uma vez confirmado esse comportamento, o circuito pode ser usado como um verdadeiro amp-op. Um primeiro experimento comum é a configuração seguidor de tensão (buffer).

Para um seguidor de tensão, conecte a saída do amplificador diretamente à sua entrada inversora – ou seja, ligue o coletor e a base de Q4 juntos e ignore o potenciômetro inversor.

O símbolo do amp-op mostra as entradas não-inversora (+) e inversora (−) e o ápice de saída. O traço vermelho representa o laço de realimentação. Em um seguidor de tensão, a saída deve acompanhar a entrada dentro de alguns centésimos de volt.

Um arranjo mais sofisticado é o amplificador não-inversor, onde dois resistores iguais no laço de realimentação fixam um ganho de exatamente dois.

Durante os testes, você pode ver pequenas discrepâncias entre a saída medida e a esperada – geralmente alguns centésimos de volt. Elas surgem de imperfeições no par diferencial e podem ser reduzidas adicionando estágios extras de amplificação ou ajustando finamente R_prg.

Experimente diferentes valores de R_prg variando de 10 kΩ a 1 MΩ. Evite resistências abaixo de 10 kΩ para evitar embalamento térmico nos transistores do espelho de corrente.

Alguns amp-ops comerciais expõem um ponto de espelho de corrente programável, permitindo que usuários ajustem o bias interno exatamente como R_prg. A maioria dos amp-ops fabricados em fábrica, no entanto, tem esse bias fixado por um resistor precisamente aparado.