Doble par diferencial - Universidad de Buenos Aires

Análisis por simulación de un amplificador totalmente complementario
Un amplificador de audio típico tiene dos etapas amplificadoras de tensión en cascada.
La primera suele ser un par diferencial y la segunda un transistor en modo emisor
común.
La tercera etapa suele ser un amplificador separador de la carga con alta ganancia de
corriente y ganancia unitaria de tensión.
En el siguiente estudio nos ocuparemos de las dos primeras etapas analizando un
circuito que duplica la circuitería tradicional con el objetivo de reducir la distorsión
armónica.
Se conecta en paralelo dos etapas idénticas pero realizadas con transistores
complementarios PNP y NPN.
El circuito es el siguiente:
Se muestran dos generadores en serie ya que el software de simulación requiere dos
diferentes tipos de generadores según se esté analizando amplitud de salida o ancho de
banda.
La red de realimentación está compuesta por R7 y R8 que fijan la ganancia total en 11 y
también son la carga de salida.
A fin de comparar el comportamiento a lazo abierto se reconecta el circuito de
realimentación de la siguiente forma:
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Notar que es necesario reducir la amplitud de la señal de los generadores para producir
la misma amplitud de la tensión de salida que a lazo cerrado.
Con el objeto de comparar la mejora introducida en la configuración complementaria se
analizará también su funcionamiento en configuración tradicional desactivando para la
señal el par diferencial Q5-Q6, pasando Q8 a funcionar solo como carga activa de Q4,
según se aprecia en el siguiente circuito:
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También lo estudiaremos a lazo abierto con el siguiente conexionado de la red de
realimentación:
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La señal de salida obtenida en el modo complementario a lazo cerrado es:
Y realizando la Transformada Rápida de Fourier con el mismo software de simulación
se obtiene:
Notar que la amplitud de la segunda armónica es menor que 1/10000 la amplitud de la
fundamental, produciendo una distorsión armónica menor a 0,01%.
Más adelante se calculará exactamente la distorsión y se comparará con las otras
configuraciones circuitales.
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En modo complementario a lazo abierto la señal de salida es:
Notar que la ganancia de tensión a lazo abierto es aproximadamente 4000 veces por lo
que fue necesario reducir el nivel de amplitud de los generadores a 0,003V a fin de
obtener la misma amplitud de salida que a lazo cerrado. La tensión de salida tiene un
corrimiento de aproximadamente -1V.
El espectro de armónicas resulta:
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Las armónica mostradas (segunda, tercera y cuarta) son notablemente de mayor
amplitud relativa respecto a la primera (fundamental) comparada con el espectro para
lazo cerrado.
Ahora veamos el comportamiento del circuito tradicional con un solo par diferencial.
La señal de salida a lazo cerrado es:
Se ve idéntica a la respuesta obtenida con el circuito complementario, pero su análisis
espectral resulta algo diferente:
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Notar que la amplitud de las armónicas superiores es mucho mayor respecto de la
fundamental que para el circuito totalmente complementario a lazo cerrado. Comparar
ambos espectros.
Finalmente analizamos el circuito tradicional a lazo abierto.
Se reduce la amplitud de los generadores de señal de 1V a 0,003V a fin de exitar al
circuito de simple par diferencial en las mismas condiciones que el de doble par
diferencial. La señal de salida es:
Notar que la amplitud de la señal de salida es la mitad de la obtenida con el circuito
complementario. Esto es debido a que la ganancia a lazo abierto es la mitad que en el
complementario. ¿Porqué?
Y el espectro de armónicas resulta:
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Donde la amplitud de las armónicas superiores es aún mayor respecto de la
fundamental, comparando con el circuito totalmente complementario a lazo abierto.
Para compensar la reducción de la ganancia a lazo abierto aumentamos el nivel de
amplitud a 0,006V obteniendo una amplitud de la señal de salida similar a la de lazo
cerrado:
Con el siguiente espectro:
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Notablemente mayor que con la señal de 0,003V, lo que nos indica que la distorsión
aumenta con la amplitud de la señal de entrada. ¿Porqué?
Distorsión
Se calcula la distorsión para cada caso presentado aplicando la ecuación:
DA = 100
a 2 2 + a3 2 + a 4 2
a12 + a 2 2 + a32 + a 4 2
Los resultados se muestran en la siguiente tabla:
Amplitud
Armónicas
par doble
lazo cerrado lazo abierto lazo cerrado
a1
a2
a3
a4
Distorsión
armónica
par simple
lazo abierto
Vent = 1V
Vent = 3mV
Vent = 1V
Vent = 3mV
Vent = 6mV
11232
0,481
0,153
0,015
12529
176
62
2
11232
2,22
1,15
0,24
6021
99
23
0,7
11863
429
186
11
mV
0,0045
1,4893
0,0224
1,6878
3,9396
%
La distorsión a lazo cerrado es muchísimo menor en el circuito totalmente
complementario que en el tradicional.
Ancho de banda
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La respuesta en frecuencia de ambas topologías es la misma, por ser idénticos los dos
amplificadores de transconductancia (de dos etapas) conectados en forma simple (par
diferencial único) o en paralelo (doble par diferencial).
Los capacitores C1 y C2 de 60pF son para compensación, sin ellos la respuesta a lazo
cerrado presenta un sobre pico en alta frecuencia (arriba de 1 MHz).
Ancho de banda a lazo cerrado:
Ancho de banda a lazo abierto:
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Notar que a lazo abierto el ancho de banda es de solo 1 KHz. Esto ocurre en la mayoría
de los amplificadores de audio y es la razón por la cual la distorsión aumenta
considerablemente en función de la frecuencia a partir de 1KHz.
Slew Rate
La compensación de la respuesta en frecuencia tiene como desventaja la reducción del
Slew Rate. En este circuito el Slew Rate resultó ser de 7V/uS como puede apreciarse en
la siguiente gráfica.
En la simulación se usó el circuito:
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Notar que se desactivaron los generadores senoidales fijando su amplitud en cero y se
agregó un generador de onda cuadrada con amplitud suficiente para producir una gran
excursión de la señal de salida.
Por efecto del Slew Rate una señal senoidal de entrada con amplitud pico igual a 15V y
frecuencia superior a 75 KHz se deformará.
Por ejemplo una señal senoidal de entrada con amplitud 1V pico y frecuencia 150KHz
producirá a la salida la siguiente forma de onda altamente distorsionada.
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Polarización
Las tensiones y corrientes de polarización se calcularon mediante simulación,
obteniéndose el siguiente resultado:
Tensiones de polarización
Corrientes de polarización
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Etapa de salida
La etapa de salida tradicional en configuración AB aportará al amplificador distorsión
adicional debida a la conmutación de los transistores. Esto se estudiará en un próximo
documento.
Conclusión
La baja distorsión que se obtiene con un circuito totalmente complementario se debe a
la alta linealidad de su transferencia. También puede verse como un efecto de
cancelación de armónicas debido a su simetría. El costo de duplicar las dos primeras
etapas de un circuito tradicional con un solo par diferencial es muy bajo comparado con
el mejoramiento resultante.
Como beneficio adicional debe destacarse la cancelación mutua de las corrientes de
polarización de bases entre ambos pares diferenciales, resultando en una mejora
sustancial del corrimiento de la tensión de salida originado por la polarización
comparada con el diseño de un solo par.
Autor
Ingeniero Alberto Bertuccio
Cátedra de “Circuitos Electrónicos 2”
Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires
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