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Amplificadores diferenciales explicados: construir y optimizar los circuitos de señal de precisión

Esta guía habla sobre amplificadores diferenciales, circuitos especiales que ayudan a elegir la diferencia entre dos señales al ignorar cualquier ruido que comparten ambas señales.Explica cómo funcionan los amplificadores diferenciales, cómo se construyen utilizando amplificadores operativos (amplificadores operacionales) y cómo las resistencias controlan cuánto se amplifica la señal.También muestra cómo manejar señales débiles agregando buffers, cómo diseñar el circuito correctamente y cómo usar estos amplificadores como comparadores e interruptores de luz automáticos.Ya sea que esté trabajando con sensores, sistemas de audio o circuitos de control, esta guía le brinda una comprensión clara y simple de por qué los amplificadores diferenciales son tan importantes y cómo usarlos.

Catalogar

¿Qué es un amplificador diferencial?

A amplificador diferencial es una parte central de muchos sistemas analógicos.Su función principal es amplificar la diferencia de voltaje entre dos señales de entrada al ignorar cualquier voltaje que sea común a ambos.Esta amplificación selectiva es lo que la hace tan útil en entornos ruidosos.Cuando la interferencia como el ruido electromagnético o el zumbido de la línea de alimentación afecta a ambas entradas por igual, el amplificador lo cancela efectivamente.

Esta habilidad se llama rechazo de modo común.Una alta relación de rechazo de modo común (CMRR) asegura que el amplificador se centre solo en la verdadera diferencia de señal, lo que ayuda a preservar la precisión.Por ejemplo, en equipos médicos como máquinas ECG, las señales eléctricas del corazón son pequeñas y a menudo enterradas en ruido.Un amplificador diferencial extrae estas señales limpiamente, permitiendo lecturas confiables.El mismo principio se aplica en los sistemas industriales o de audio, donde la precisión y la resistencia al ruido son importantes.

Cuando las señales viajan largas distancias, como a través de cables de par de pares retorcidos en los sistemas de adquisición de datos, ambos cables recogen interferencias similares.El amplificador diferencial cancela este ruido compartido y amplifica solo la diferencia de señal útil.Debido a esto, es un componente clave en la electrónica de precisión utilizada en todo, desde interfaces de sensores hasta audio de alta fidelidad.

AMPS OP en amplificación diferencial

Un amplificador operacional, abreviatura de amplificador operativo, es una parte electrónica que puede hacer que las señales de voltaje pequeñas sean mucho más grandes.Tiene dos pines de entrada: uno se llama entrada no inversa (marcada con un "+"), y la otra es la entrada invertida (marcada con un "-").El OP-AMP compara los voltajes en estas dos entradas y proporciona una salida basada en la diferencia entre ellos.Por sí mismo, un amplificador operacional tiene una ganancia muy alta, lo que significa que incluso una pequeña diferencia de voltaje entre las dos entradas puede llevar la salida a su nivel máximo o mínimo.Esto lo hace demasiado sensible para la mayoría de los usos.Para solucionar esto, agregamos algo llamado retroalimentación negativa, es cuando parte de la salida se envía nuevamente a la entrada invertida a través de resistencias.Esto ayuda a la operación operacional a mantener la salida en un nivel estable y útil.Las resistencias controlan cuánto amplifica el amplificador OP la diferencia entre las dos entradas.

Figura 2. AMPS OP en amplificación diferencial

La figura muestra una configuración especial llamada amplificador diferencial, a veces llamado amplificador de diferencia para abreviar.Utiliza cuatro resistencias (R₁, R₂, R₃ y R₄) y dos señales de entrada: V₁ y V₂.El amplificador operacional analiza cuán diferentes son V₁ y V₂ y proporciona un voltaje de salida V₀ que se basa en esa diferencia.Este tipo de circuito es excelente para captar la diferencia entre dos señales mientras ignora cualquier ruido o señales no deseadas que sean las mismas en ambas entradas.Es por eso que se usa en cosas como circuitos de sensores, sistemas de audio y herramientas de medición donde necesita señales claras y precisas.

Construir un amplificador diferencial con una ganancia establecida

Diseño de circuito

Para hacer un amplificador diferencial que funcione de manera clara y confiable, use una configuración equilibrada con cuatro resistencias.El diagrama muestra cómo se hace esto utilizando un amplificador operacional (amplificador operativo), dos voltajes de entrada (V₁ y V₂) y cuatro resistencias: R1, R2, R3 y R4.

Figura 3. Circuito de amplificador diferencial con red de resistencia simétrica

En este circuito, el primer voltaje de entrada, V₁, se envía a través de la resistencia R1 a la entrada invertida del amplificador operacional (marcado con un signo menos).El segundo voltaje de entrada, V₂, pasa por la resistencia R3 a la entrada no inversa (marcada con un signo más).Luego, la resistencia R2 conecta la entrada de inversión al suelo, y la resistencia R4 conecta la salida del amplificador operacional nuevamente a la entrada de inversión.Este bucle de retroalimentación ayuda al amplificador operacional a controlar la salida y mantener la diferencia entre las dos entradas estables.

La idea principal de este amplificador es medir la diferencia entre V₂ y V₁ y multiplicar esa diferencia en una cierta cantidad, esto se llama ganancia.La ganancia se establece eligiendo los valores de resistencia correctos.Si R1 y R3 tienen el mismo valor, y R2 y R4 también tienen el mismo valor, el circuito funcionará bien y dará una salida limpia y precisa.Tener resistencias iguales es muy importante.Cuando las resistencias coinciden, el circuito puede ignorar cualquier ruido o interferencia que sea el mismo en ambas líneas de entrada.Esto se llama rechazo en modo común, y ayuda a mantener la señal de salida limpia.Si las resistencias no coinciden bien, el circuito podría dejar pasar las señales no deseadas, lo que puede estropear la salida.

Para evitar esto, use resistencias de alta precisión que tienen un valor muy cercano, a menudo dentro del 0.1% el uno del otro.En diseños más avanzados, como los que se encuentran dentro de las microchips, los valores de la resistencia se ajustan cuidadosamente usando el recorte de láser para asegurarse de que todo esté equilibrado.En otros casos, también piense en la temperatura, porque el calor puede cambiar la forma en que se comportan las resistencias.Por lo tanto, intentan elegir resistencias que no se ven afectadas por la temperatura o organizarlas de una manera que mantenga las cosas estables.Este tipo simple de amplificador diferencial a menudo se usa como punto de partida para sistemas más complejos, como los amplificadores de instrumentación.Esos circuitos usan piezas adicionales para mejorar el rendimiento aún más, especialmente cuando se trabajan con señales muy pequeñas en entornos ruidosos.

Ganancia calculadora

La ganancia de un amplificador diferencial es una medida de cuánto aumenta el circuito la diferencia entre los dos voltajes de entrada, V₁ y V₂.En otras palabras, Gain nos dice cuánto más grande se comparará con la diferencia entre las señales de entrada.La ganancia es establecida por las resistencias en el circuito específicamente, comparando los valores de las resistencias de entrada y las resistencias de retroalimentación.Si establecemos las resistencias de manera equilibrada, calcular la ganancia se vuelve muy simple.Digamos que R1 es lo mismo que R3, y R2 es lo mismo que R4.Este tipo de configuración se llama simétrica, y ayuda al circuito a funcionar con mayor precisión.En este caso, la fórmula para la ganancia del amplificador se ve así:

Esta fórmula significa que el amplificador toma la diferencia entre V₂ y V₁ y la multiplica por el número que obtienes cuando divide R2 por R1.Entonces, si R2 es dos veces más grande que R1, la salida será dos veces la diferencia entre V₂ y V₁.

Aquí hay un ejemplo:

Si V₂ = 3 voltios y V₁ = 1 voltios, la diferencia es de 2 voltios.

Si R2 es de 10kΩ y R1 es de 5kΩ, entonces la ganancia es 10k / 5k = 2.

Entonces, el voltaje de salida será de 2 × 2 = 4 voltios.

Si hace que las cuatro resistencias sean las mismas (R1 = R2 = R3 = R4), la ganancia se convierte en 1. Eso significa que el amplificador no cambia el tamaño de la diferencia, simplemente pasa la diferencia a la salida tal como está.Esto es útil cuando solo desea medir o pasar una señal sin hacerlo más fuerte.A veces, sin embargo, necesita que la salida sea más fuerte, especialmente si las señales de entrada son muy pequeñas.Para hacer esto, puede hacer que R2 y R4 sean más grandes que R1 y R3.Esto aumenta la ganancia y hace que la señal de salida sea más grande.Por ejemplo, si R2 es diez veces más grande que R1, la ganancia es 10 y la salida es diez veces la diferencia de entrada.

Pero aumentar la ganancia también tiene desventajas.Una alta ganancia también puede hacer señales no deseadas, como el ruido o la interferencia, más fuertes.Incluso podría hacer que los pequeños errores de voltaje se vean grandes.Esto puede hacer que la salida del amplificador sea ruidosa o inexacta.Por lo tanto, es importante elegir cuidadosamente los valores de la resistencia, por lo que la ganancia es lo suficientemente alta como para ver la señal claramente, pero no tan alta como para causar problemas.Además, los amplificadores operacionales no son perfectos.Pueden tener pequeños errores incorporados que cambian cómo funciona el circuito.Por ejemplo, el OP-APP podría producir una pequeña salida incluso cuando las entradas son exactamente las mismas.Esto se llama voltaje de desplazamiento.Otro problema común es la corriente de sesgo, que es una corriente pequeña que fluye a los pines de entrada y puede cambiar ligeramente los voltajes.Para solucionar o reducir estos problemas, ajuste el circuito después de construirlo (llamado recorte), agregue componentes adicionales para cancelar errores (anulación de compensación) o use amplios operacionales especiales que estén diseñados para ser muy precisos y estables..

Impedancia de entrada y almacenamiento en búfer

Un amplificador diferencial básico es un circuito simple y útil.Aumenta (amplifica) la diferencia entre dos voltajes de entrada e ignora cualquier cosa que sea lo mismo en ambos.Pero este diseño simple tiene un problema cuando se conecta a fuentes de señal débiles o de alta impedancia (como algunos sensores).El problema proviene de la entrada invertida del amplificador.Debido a cómo funciona el circuito, esta entrada actúa como una tierra virtual, lo que significa que puede extraer la corriente de la fuente de señal.

Si la fuente de señal no puede dar mucha corriente como algunos sensores o circuitos delicados, esto puede cambiar la señal.La señal puede volverse más pequeña (más débil) o distorsionada, lo que significa que el amplificador da un resultado incorrecto.Para solucionar esto, use seguidores de voltaje, también llamados amplificadores de búfer, en cada entrada.Estos son circuitos de amplificador especiales que no aumentan el voltaje, pero tienen una impedancia de entrada muy alta y una baja impedancia de salida.Eso significa que no extraen mucha corriente de la fuente de señal, por lo que la señal permanece igual.El búfer simplemente pasa la señal sin cambiarla.Cuando agrega estos seguidores de voltaje al amplificador diferencial, obtiene un mejor circuito llamado amplificador de instrumentación de tres amplificadores.Esta nueva versión tiene una impedancia de entrada muy alta, por lo que funciona bien con señales débiles.

También puede establecer la ganancia (cuánto se amplifica la señal) utilizando resistencias externas.También bloquea bien el ruido y ofrece una señal limpia y precisa.Estos amplificadores mejorados se usan en trabajos precisos, como leer pequeñas señales de termistores, medidores de tensión o sensores médicos.Estas señales a menudo son muy pequeñas (como los microvoltios) y necesitan amplificarse claramente, incluso en lugares ruidosos.Para asegurarse de que el amplificador funcione en su mejor momento, el diseño físico del circuito también es importante.Muchos usan trucos de diseño especiales, como las partes de blindaje del circuito para bloquear las señales no deseadas y mantener los cables cortos para evitar problemas con capacitancia no deseada.Esto ayuda al amplificador a funcionar bien incluso con señales muy pequeñas o rápidas.

Figura 4. Amplificador de instrumentación de tres op-op con tampones de entrada

La figura muestra un amplificador de instrumentación de tres amplificadores.Los primeros dos amplificadores operacionales actúan como buffers, reciben las señales de entrada V1 y V2 y los reenvían sin extraer corriente de las fuentes.Estas señales tamponadas luego pasan a través de las resistencias y convergen en el tercer amplificador operacional, que sirve como un amplificador diferencial.Esta etapa final resta una entrada del otro para producir el tensión de salida Vout.Esta configuración mejora la integridad de la señal y es adecuado para manejar señales débiles o sensibles de manera segura.

Aplicaciones de amplificadores diferenciales

Comparadores

En algunos circuitos, utilizamos un tipo de amplificador llamado amplificador diferencial sin ningún comentario.Cuando hacemos esto, se convierte en un comparador.Un comparador es un dispositivo que verifica rápidamente cuál de los dos voltajes es más grande.Una vez que realiza la comparación, cambia su salida a un voltaje alto o bajo, casi como un interruptor simple.Este tipo de comportamiento sobre o desactivado es muy útil en sistemas digitales y circuitos de control automáticos.Un ejemplo es un detector de cruce cero.Observa una señal de CA (corriente alterna) y cambia su salida cada vez que la señal pasa por cero voltios.Esto es útil para el tiempo y el control de cosas que dependen de la fase de la señal.

Los comparadores también son importantes en los dispositivos llamados convertidores analógicos a digitales (ADC).Estos convertidores cambian las señales (como el sonido o la temperatura) en números digitales que las computadoras pueden entender.El comparador ayuda comparando la señal cambiante con un voltaje de referencia fijo.Aunque los amplificadores operacionales regulares (amplificadores operativos) pueden funcionar como comparadores en circuitos simples, hay chips comparadores especiales hechos solo para este trabajo.Estos chips especiales son más rápidos y precisos.También pueden incluir características adicionales, como la histéresis (que ayuda a evitar cambiar con demasiada frecuencia debido a pequeños cambios o ruido) y salidas de colector abiertos (que facilitan la conexión a los circuitos digitales).

Figura 5. Circuito comparador utilizando una configuración de puente de Wheatstone

La figura ilustra un circuito comparador con una configuración clásica del puente de Wheatstone.Cuatro resistencias iguales r forman la red de puentes, creando una condición equilibrada cuando todos los componentes son simétricos y la entrada es de 0 voltios.Los voltajes de los brazos del puente, etiquetados V1 y V2, se alimentan a las entradas invertidas y no inversor de un comparador, respectivamente.En condiciones equilibradas, V1 y V2 son iguales, lo que resulta en una salida cero.Cualquier desequilibrio en el puente, como un cambio en una resistencia debido a la temperatura o la tensión, producirá una diferencia de voltaje entre V1 y V2, lo que hace que el comparador cambie su salida en consecuencia.

Interruptores sensibles a la luz

Los interruptores sensibles a la luz son aplicaciones de amplificadores diferenciales que permiten el control automático de dispositivos eléctricos en respuesta a diferentes niveles de luz ambiental.Estos circuitos comúnmente usan una resistencia dependiente de la luz (LDR), un componente cuya resistencia cambia en función de la intensidad de la luz que cae sobre ella.Al integrar un LDR en una red de divisor de voltaje, es posible convertir la intensidad de la luz en una señal de voltaje correspondiente.El funcionamiento central de dicho interruptor se basa en un amplificador diferencial, que recibe dos entradas: una del divisor de voltaje que contiene el LDR y el otro de un voltaje de referencia.El voltaje de referencia se puede hacer ajustable utilizando una resistencia variable (VR1) o potenciómetro.Esta configuración permite establecer con precisión el umbral de intensidad de luz en el que el interruptor activará o desactivará la carga conectada.

A medida que cambia la luz ambiental, la resistencia del LDR varía, alterando el voltaje en una entrada del amplificador diferencial.Cuando este voltaje de entrada supera o cae por debajo del voltaje de referencia, la salida del amplificador se altera.Esta salida se utiliza para conducir un interruptor de transistor, que a su vez activa un dispositivo conectado como una lámpara, relé o ventilador.La inclusión de una resistencia de retroalimentación (RF) mejora la estabilidad y la capacidad de respuesta del circuito amplificador.Mientras tanto, la etapa del transistor, a menudo emparejada con un diodo de retorno (D1), proporciona la amplificación de corriente necesaria y protege contra picos de voltaje cuando se usan cargas inductivas como relés.

Figura 6. Interruptor sensible a la luz utilizando un amplificador diferencial y LDR

La figura ilustra un circuito de interruptor sensible a la luz basado en un amplificador diferencial.Una resistencia dependiente de la luz (LDR) y una resistencia fija (R1) forman un divisor de voltaje que proporciona una entrada de voltaje variable (V1) al terminal de inversión del amplificador operativo.La entrada no inversa recibe un voltaje de referencia (V2), establecido utilizando una resistencia variable (VR1) en serie con la resistencia R2.El amplificador diferencial compara estas entradas, con su salida conectada a la base de un transistor a través de una resistencia (R3).Cuando la intensidad de la luz cambia de tal manera que V1 cruza el umbral establecido por V2, la salida del amplificador interrumpe, activando o apagando el transistor.Esto, a su vez, controla una bobina de relé conectada, indicada en el diagrama con una conexión de salida.Un diodo (D1) se coloca en paralelo con la bobina de relé para proteger contra picos de voltaje.La resistencia R4 sirve como un desplegable para la base del transistor.El circuito general permite la conmutación automática basada en condiciones de luz ambiental.

Ventajas de amplificadores diferenciales

• Excelente rechazo de ruido: Los amplificadores diferenciales están diseñados para amplificar la diferencia entre dos señales de entrada mientras ignoran cualquier voltaje que sea común a ambos.Esto los hace muy efectivos para rechazar la interferencia electromagnética y el ruido que afecta ambas líneas de entrada por igual, un beneficio clave en entornos con mucho ruido eléctrico, como fábricas o líneas de energía cercanas.

• Alta precisión: Estos amplificadores ofrecen una excelente linealidad, lo que significa que la salida es directamente proporcional a la diferencia de voltaje de entrada con muy poca distorsión.Esto los hace ideales para sistemas que requieren alta precisión, como equipos de audio, sistemas de adquisición de datos o instrumentos científicos, donde incluso pequeñas inexactitudes pueden comprometer el rendimiento.

• Diseño versátil: Con modificaciones simples en la configuración de su circuito, los amplificadores diferenciales se pueden usar en una variedad de roles, como amplificadores básicos, comparadores de voltaje, seguidores de voltaje (buffers) o como bloques de construcción en sistemas de instrumentación más avanzados.Esta flexibilidad los convierte en una opción popular en muchos diseños analógicos.

• Mejora la calidad de la señal temprano: Al amplificar la señal deseada y rechazar el ruido al principio de la cadena de señal, los amplificadores diferenciales ayudan a garantizar que se pase una señal limpia a través del resto del sistema.Esto reduce la necesidad de filtrado complejo o corrección digital aguas abajo, ahorrando la potencia de procesamiento y mejorando la confiabilidad general del sistema.

• Confiable en entornos duros: Debido a su rechazo de ruido y precisión, los amplificadores diferenciales se usan ampliamente en entornos de alto riesgo como sistemas aeroespaciales, dispositivos médicos y equipos de laboratorio.En estos campos, las mediciones precisas y estables son importantes, y los amplificadores diferenciales ayudan a mantener la integridad de la señal incluso en condiciones desafiantes.

Conclusión

Los amplificadores diferenciales son herramientas importantes en la electrónica porque lo ayudan a amplificar la señal correcta y deshacerse del ruido no deseado.Funcionan aumentando la diferencia entre dos voltajes de entrada e ignorando cualquier cosa que sea lo mismo en ambos.Aprendió cómo se utilizan los amplificadores operacionales para hacer estos amplificadores y cómo los valores de resistencia coincidentes son clave para mantener el circuito preciso.También explicamos cómo aumentar la resistencia de entrada del amplificador mediante el uso de buffers, lo que ayuda cuando trabaja con señales pequeñas o débiles.Estos amplificadores también se pueden usar como comparadores e interruptores de luz inteligentes, que muestran cuán útiles y flexibles son.Saber cómo funcionan te ayuda a construir circuitos mejores y más confiables.