Amplificador diferencial
Um amplificador diferencial é um tipo de amplificador eletrônico que amplifica a diferença de tensão entre duas entradas, mas suprime qualquer tensão que seja comum a ambas. Este circuito é a base da eletrônica analógica moderna, servindo como o estágio de entrada fundamental para a esmagadora maioria dos amplificadores operacionais e atuando como um subcomponente comum em grandes circuitos integrados que processam sinais analógicos.
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A Topologia do Par Diferencial
O núcleo fundamental de um amplificador diferencial clássico é uma topologia de circuito conhecida como par diferencial (frequentemente referida na literatura em inglês como long-tailed pair) ou par acoplado por emissor (clássico em transistores bipolares ou por fonte (no caso de transistores de efeito de campo).. Em sua implementação básica com transistores bipolares de junção (TBJ) do tipo NPN, o circuito consiste em dois transistores casados de forma idêntica, Q 1 {\displaystyle Q_{1}} e Q 2 {\displaystyle Q_{2}} , cujos emissores estão conectados rigidamente um ao outro. Esse nó comum de emissor é interligado a uma fonte de corrente constante (ou a um resistor de alto valor conectado a uma linha de alimentação negativa, − V {\displaystyle -V} ), que dita a corrente total de polarização do circuito, conhecida como "cauda" ( I cauda {\displaystyle I_{\text{cauda}}} ).
Análise dos Modos: Diferencial e Comum
O comportamento do par diferencial pode ser analisado através da superposição de dois modos distintos de operação: o modo diferencial e o modo comum. No modo diferencial, aplicam-se tensões com polaridades opostas (com o mesmo valor absoluto) nas duas entradas ( V i n + {\displaystyle V_{\mathrm {in} }^{+}} e V i n − {\displaystyle V_{\mathrm {in} }^{-}} ). Quando a tensão na base de Q 1 {\displaystyle Q_{1}} aumenta e a de Q 2 {\displaystyle Q_{2}} diminui, Q 1 {\displaystyle Q_{1}} conduz mais corrente e Q 2 {\displaystyle Q_{2}} conduz menos. Como a soma das correntes dos emissores é mantida constante pela fonte de corrente da "cauda", a variação se reflete integralmente nos coletores. A tensão de saída no coletor de Q 1 {\displaystyle Q_{1}} diminui, enquanto a de Q 2 {\displaystyle Q_{2}} aumenta. Essa variação gera um sinal amplificado na saída diferencial, caracterizado pelo ganho de modo diferencial, A d {\displaystyle A_{\mathrm {d} }} .
Equacionamento e CMRR
Em um amplificador real, a saída não depende exclusivamente da diferença entre os sinais. A equação completa que descreve a tensão de saída é dada pela soma das contribuições dos dois modos: V o u t = A d ( V i n + − V i n − ) + A c ( V i n + + V i n − 2 ) {\displaystyle V_{\mathrm {out} }=A_{\mathrm {d} }(V_{\mathrm {in} }^{+}-V_{\mathrm {in} }^{-})+A_{\mathrm {c} }\left({\frac {V_{\mathrm {in} }^{+}+V_{\mathrm {in} }^{-}}{2}}\right)} Para medir a eficiência do amplificador em rejeitar ruídos indesejados presentes no modo comum (como interferências eletromagnéticas que afetam ambas as entradas igualmente), utiliza-se a Razão de Rejeição de Modo Comum (do inglês, CMRR - Common-Mode Rejection Ratio). O CMRR é a razão entre o ganho diferencial e o ganho comum, sendo geralmente expresso em decibéis (dB):
Devido à sua excelente capacidade de rejeitar ruídos de modo comum, os amplificadores diferenciais são amplamente empregados em situações onde o sinal de interesse é muito fraco e está imerso em ambientes com alta interferência eletromagnética.
Implementação com Amplificador Operacional
Além da topologia clássica com transistores discretos (par diferencial), o amplificador diferencial é frequentemente construído na prática utilizando um amplificador operacional associado a quatro resistores externos, conforme ilustrado no diagrama centralizado. Quando as relações dos resistores são perfeitamente casadas, de modo que os resistores conectados às entradas sejam idênticos ( R 1 {\displaystyle R_{1}} ) e os resistores de realimentação e aterramento também sejam iguais ( R 2 {\displaystyle R_{2}} ), a tensão de saída V o {\displaystyle V_{o}} passa a ser expressa matematicamente por: V o = R 2 R 1 ( V 2 − V 1 ) {\displaystyle V_{o}={\frac {R_{2}}{R_{1}}}(V_{2}-V_{1})}
