¿Una pregunta sobre cómo entender un amplificador diferencial BJT?

Estoy tratando de entender cómo un amplificador diferencial rechaza el ruido de modo común y amplifica el ruido de modo diferencial/normal.

Para eso utilizo la siguiente topología de circuito y simulación:

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Cuando Vin+ y Vin- son diferenciales, Vout aumenta de la siguiente manera:

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Cuando Vin+ y Vin- son iguales, Vout no se mueve tanto como se muestra a continuación:

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En el caso de entradas de modo común, el aumento de Vout es menor que el aumento de Vin. Entonces, los voltajes de modo común se atenúan o podemos decir que la ganancia es negativa.

Sin embargo, en el caso de entradas diferenciales, el aumento de Vout es mucho mayor que el aumento de Vin. Por lo tanto, los voltajes de modo diferencial se amplifican. Por lo tanto, significa ganancia positiva.

Puedo ver esto como resultado en simulaciones.

Pero no sé qué causa esto lógicamente. Quiero decir que la fuente actual está causando todo esto, pero ¿cómo? ¿Por qué las entradas de modo común casi no causan diferencia en Vout pero los voltajes de modo diferencial tienen una gran ganancia? ¿Hay alguna manera de saber qué está pasando en este circuito a nivel de transistor paso a paso para explicar por qué los resultados son así?

La fuente actual no está "causando todo esto". Puede reemplazarlo con una resistencia (que no es una gran fuente de corriente, pero funciona de alguna manera). Los BJT son la clave aquí. Suponiendo que coincidan (BCM62 o BCM61, por ejemplo), un diferencial de entrada entre las bases de 60 mV provocará una diferencia de aproximadamente 10:1 en las corrientes del colector. Una diferencia de 0 dividirá las corrientes del colector por igual, 1:1. En todos los casos, la suma de las corrientes de colector (más las corrientes de base menores) será igual al valor de su disipador de corriente.
¿Por qué el "voltaje del emisor" será constante en el caso diferencial y aumentará en el caso de modo común?
¿Y cómo la resistencia puede actuar como fuente de corriente?
La atenuación no es una ganancia negativa. Es una ganancia de magnitud inferior a 1.
La clave principal para comprender los amplificadores diferenciales: ¡abandonar la vida! Los transistores tienen entrada de voltaje, salida de corriente, consulte la ecuación de Ebers-Moll. El BJT es un elemento de transconductancia, como cualquier tubo de vacío o FET. Observe el pequeño voltaje diferencial como entrada, frente a la enorme salida de corriente diferencial . Luego, 10K convierte la corriente de salida en voltios.
@doncarlos Al mantener el voltaje relativamente estable a través de él.

Respuestas (1)

Si el circuito es simétrico (tanto los componentes como las excitaciones), la corriente de la fuente de corriente se dividirá por igual entre las ramas izquierda y derecha. Por lo tanto, aunque tanto Vin+ como Vin- aumenten, la corriente a través de Q1 permanecerá aproximadamente constante en 0,5 mA. Esto requiere que el voltaje del emisor aumente para mantener el voltaje base-emisor aproximadamente constante.

Si las excitaciones son diferenciales, entonces la corriente a través de un transistor aumentará y la corriente a través del otro disminuirá, de modo que la suma sea siempre igual a 1 mA. Esto da como resultado un gran cambio en Vout.

EDITAR:

Suponga que Vin+ aumenta y Vin- disminuye. Por lo tanto, la corriente a través del BJT de la izquierda aumentará y la corriente a través del BJT de la izquierda disminuirá. Debido a la simetría, resulta que el voltaje del emisor será constante con excitaciones diferenciales. Entonces podemos encontrar

Δ I C = gramo metro Δ V b .
A la izquierda, este cambio en la corriente del colector será positivo y a la izquierda, negativo. La ganancia del amplificador es entonces (aproximadamente):
A v = gramo metro R 1 ,
ya que el voltaje de salida cambiará por el producto de la resistencia y el cambio en la corriente del colector.

Creo que entiendo su primer párrafo y "el voltaje del emisor aumenta para mantener el voltaje del emisor base aproximadamente constante" ... Pero para la segunda parte no pude entender claramente. ¿Cómo actúa la fuente de corriente cuando las entradas son diferenciales y provocan una gran ganancia?
¿Está familiarizado con el análisis de pequeña señal (también conocido como análisis incremental)?
Sí, algo así. En el análisis de pequeña señal, el comportamiento no lineal se vuelve lineal debido al pequeño cambio en Vbe.
Vea mi edición y avíseme si aún no está claro.
¿Por qué el "voltaje del emisor" será constante en el caso diferencial y aumentará en el caso de modo común?
@doncarlos primero debe calcular la transconductancia gm, y deberá comprender su naturaleza y su causa. Los transistores BJT son dispositivos de entrada de voltaje, como se ve en los circuitos de cascodo, espejos de corriente... y amplificadores diferenciales. Conocer la vida útil y la ganancia de corriente no lo ayudará en absoluto (e incluso puede brindarle una gran barrera de aprendizaje). Lea "Art of Electronics", la filosofía de diseño BJT de entrada de voltaje del autor Win Hill, vea su comentario revelador en goo .gl/swMT6H
¿Una pregunta sobre cómo entender un amplificador diferencial BJT?
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