¿Dónde fluyen las corrientes de polarización de entrada y qué caídas de voltaje crean?

Como lo he explicado muchas veces, el problema de responder esta pregunta es que se utiliza una técnica de polarización inusual en las etapas diferenciales de entrada de los amplificadores operacionales.

Técnicas de sesgo

Desde el lado de la base. La polarización clásica de las etapas de transistores de un solo extremo (y algunos circuitos más sofisticados como el amplificador de retroalimentación de corriente CFA) es desde el lado de la entrada (base) . Se implementa agregando un voltaje de polarización constante en serie al voltaje de entrada... o una corriente de polarización constante en paralelo a la fuente de corriente de entrada (fuente de voltaje y resistencia). Observe dos características de este arreglo: la corriente de polarización de entrada es beta veces más pequeña que la corriente del colector de salida (reposo); no hay comentarios negativos.

Del lado de emisores. En las etapas de entrada del amplificador operacional, la polarización se implementa desde el lado de la salida (emisores) por una fuente de corriente más poderosa (generalmente, un sumidero). Establece directamente la corriente del emisor de salida (quiescente) ( 2 x beta veces mayor que la corriente de polarización de entrada). Pero esto no es un trabajo fácil y se hace con la ayuda de una retroalimentación negativa. Hace que los transistores ajusten su voltaje de emisor común para pasar la corriente de emisor de polarización 1/2. Para ello, ajustan su betaveces más pequeñas corrientes de base que son producidas por la misma fuente de corriente de emisor. Este truco es posible aquí ya que el voltaje del nodo común entre los emisores unidos se fija en el modo diferencial; no podemos usarlo en la etapa de emisor común único ya que el voltaje del emisor seguirá al voltaje base y no habrá amplificación.

Donde fluyen las corrientes de polarización de entrada

Las corrientes de polarización de entrada tienen que ir a alguna parte... y los diseñadores han elegido una solución inusual: pasarlas a través de las fuentes de voltaje de entrada . Para ello, estas fuentes deben ser "galvánicas" (conductoras); si no lo son, deben derivarse con elementos de (alta) resistencia para asegurar un camino para la corriente de polarización.

Entonces, esta es la situación: las corrientes de polarización de entrada fluyen a través de las fuentes de voltaje de entrada y crean caídas de voltaje en sus resistencias internas . Si hay resistencias adicionales en serie, las corrientes de polarización fluirán a través de ellas y crearán caídas de voltaje adicionales a través de estas resistencias.

Un ejemplo: par diferencial BJT

Lo podemos ver en el clásico par diferencial con sumidero de corriente de emisor ("cola"); no hay una diferencia fundamental con las etapas de entrada del amplificador operacional. He dibujado a continuación cuatro imágenes de esta etapa para mostrar de una manera más atractiva las caídas de voltaje y las rutas de corriente en todos los casos, con y sin resistencias de base incluidas. Para hacer las fotos más bonitas y totalmente simétricas, he dibujado en el lado izquierdo, en colores más claros, las mismas fuentes de tensión de alimentación V+ y V-. Espero que esto no te lo ponga difícil.

1. Par diferencial sin RB1 y RB2. Consideremos primero el caso con fuentes de voltaje de entrada cero y sin resistencias base incluidas (Fig. 1):

Fig. 1. Par diferencial sin RB1 y RB2 incluidos (entradas puestas a tierra)

Como puede ver, la fuente de alimentación negativa V- "tira hacia abajo" a través del sumidero del emisor, es decir, los emisores de transistores... y "bajan" bajo tierra con VBE. Para una correcta comprensión, es necesario darse cuenta de que IE no es una "fuente" en el sentido literal de la palabra (es decir, un elemento que suministra energía), sino que es solo una "resistencia dinámica" que "dosifica" la energía para que un flujos de corriente constantes. Entonces, las corrientes de polarización de entrada IB1 e IB2 son producidas por el suministro negativo V- y determinadas por el elemento estabilizador de corriente IE (la fuente positiva V+ no participa en la creación de corrientes de polarización). Lo que sorprende a los principiantes es que solo ven corrientes de polarización que salen del suelo sin ver dónde está el voltaje que las crea... como si el suelo las produjera.

La corriente del emisor se divide por igual entre los dos transistores y crea caídas de voltaje iguales en las dos resistencias del colector. Los voltajes del colector son iguales y su diferencia es cero.

En las etapas de entrada del amplificador operacional (p. ej., en 741), las estructuras de circuito más sofisticadas (etapas de base común, espejos de corriente) permanecen entre los emisores y el suministro negativo... pero las rutas de corriente de polarización son las mismas.

2. Par diferencial con RB1. Ahora incluyamos una resistencia base RB1 (se puede considerar como resistencia interna de la fuente de voltaje de entrada cero VIN1) - Fig. 2:

Fig. 2. Par diferencial con RB1 incluido (entrada 2 puesta a tierra)

La corriente de polarización de entrada IB1 "creará" una caída de voltaje ("voltaje de entrada") VRB1 a través de ella... y la base T1 "bajará" bajo tierra con VRB1. Dado que la base T2 está fijada a voltaje cero (conectado a tierra), el emisor T2 intentará permanecer "inamovible" mientras que T1 lo "tira hacia abajo". Como resultado de esta "lucha libre", VBE1 disminuirá y VBE2 aumentará. En consecuencia, VOUT1 aumentará y VOUT2 disminuirá... y aparecerá un voltaje de salida diferencial dVOUT.

3. Par diferencial con RB2. De manera similar, si incluimos una resistencia base RB2 (puede ser la resistencia interna de la fuente de voltaje de entrada cero VIN2) - Fig. 3, la corriente de polarización de entrada IB2 "creará" una caída de voltaje ("voltaje de entrada") VRB2 a través de ella ... y ahora la base T2 "bajará" bajo tierra con VRB2:

Fig. 3. Par diferencial con RB2 incluido (entrada 1 puesta a tierra)

Dado que la base T1 está fijada a voltaje cero (conectado a tierra), el emisor T1 intentará permanecer "inamovible" mientras que T2 lo "jala". Como resultado de esta "lucha libre", VBE1 aumentará y VBE2 disminuirá. En consecuencia, VOUT1 disminuirá y VOUT2 aumentará... y aparecerá nuevamente un voltaje de salida diferencial dVOUT con una polaridad opuesta.

4. Par diferencial con RB1 y RB2. Finalmente, incluyamos ambas resistencias base RB1 y RB2 - Fig. 4:

Fig. 4. Par diferencial con RB1 y RB2 incluidos

Las corrientes de polarización de entrada IB1 e IB2 "crean" caídas de voltaje iguales ("voltajes de entrada") VRB1 y VRB2 a través de ellas... y ambas bases de transistores "bajan" bajo tierra con VRB1 = VRB2. Sin embargo, la "resistencia dinámica" (también conocida como sumidero de corriente ) IE disminuye su resistencia para mantener la corriente del emisor sin cambios... y los emisores también "bajan" bajo las bases con VRB1 = VRB2. La corriente del emisor se divide por igual entre los dos transistores (como en la Fig. 1) y las corrientes del colector crean caídas de voltaje iguales en las resistencias del colector. Los voltajes del colector son iguales y su diferencia es cero. El resultado es el mismo que en la Fig. 1 donde se conectaron a tierra ambas bases.

Entonces las dos caídas de voltaje se neutralizan entre sí. Este truco (podemos llamarlo "compensación pasiva de voltaje") se usa para compensar la influencia de las corrientes de polarización de entrada .