Construye un Amplificador Diferencial de Alta Ganancia que Funciona como Op-Amp

Componentes y Materiales

• Dos baterías de 6 voltios
• Cuatro transistores NPN — modelos 2N2222 o 2N3403 (Radio Shack #276-1617 provee paquete conveniente de quince NPN)
• Dos transistores PNP — modelos 2N2907 o 2N3906 (Radio Shack #276-1604 ofrece paquete de quince PNP)
• Dos potenciómetros de 10 kΩ, una vuelta, taper lineal (Radio Shack #271-1715)
• Una resistencia de 270 kΩ
• Tres resistencias de 100 kΩ
• Una resistencia de 10 kΩ

Referencias Cruzadas

Lessons In Electric Circuits, Volumen 3, capítulos 4 "Transistores de Unión Bipolar" y 8 "Amplificadores Operacionales".

Objetivos de Aprendizaje

• Diseñar un amplificador diferencial que use espejos de corriente.
• Explorar cómo la realimentación negativa moldea el comportamiento de un amplificador diferencial de alta ganancia.

Diagrama Esquemático

Ilustración

Instrucciones

Este diseño refina el amplificador diferencial anterior reemplazando resistencias de caída de voltaje con redes de espejo de corriente, produciendo mayor ganancia de voltaje y rendimiento más predecible.

Con su ganancia aumentada, el circuito puede operar como amplificador operacional (op-amp) funcional. Los op-amps son la piedra angular de la electrónica analógica moderna, así que entender su estructura interna es invaluable.

El par PNP Q1 y Q2 forma un espejo de corriente que mantiene equilibradas las corrientes a través del par diferencial Q3 y Q4. El par NPN Q5 y Q6 provee un segundo espejo de corriente que fija la corriente total del par diferencial vía la resistencia programable R_prg.

Mide el voltaje de salida (colector de Q4 relativo a tierra) mientras varías los dos voltajes de entrada. Observa que un potenciómetro actúa como entrada no inversora, mientras el otro sirve como entrada inversora.

La salida responde más fuertemente cuando las dos entradas son casi iguales —este es el modo diferencial. Una vez confirmado ese comportamiento, el circuito puede usarse como verdadero op-amp. Un primer experimento común es la configuración seguidor de voltaje (buffer).

Para un seguidor de voltaje, conecta la salida del amplificador directamente a su entrada inversora —es decir, une el colector y base de Q4 e ignora el potenciómetro inversor.

El símbolo op-amp muestra entradas no inversora (+) e inversora (−) y el vértice de salida. El trazo rojo representa el bucle de realimentación. En un seguidor de voltaje la salida debería seguir la entrada dentro de unas centésimas de voltio.

Un arreglo más sofisticado es el amplificador no inversor, donde dos resistencias iguales en el bucle de realimentación fijan ganancia exactamente de dos.

Durante pruebas puedes ver pequeñas discrepancias entre salida medida y esperada —usualmente unas centésimas de voltio. Estas surgen de imperfecciones en el par diferencial y pueden reducirse añadiendo etapas de amplificación extra o afinando R_prg.

Prueba diferentes valores de R_prg desde 10 kΩ a 1 MΩ. Evita resistencias bajo 10 kΩ para prevenir fuga térmica en transistores del espejo de corriente.

Algunos op-amps comerciales exponen un punto de espejo de corriente programable, permitiendo usuarios ajustar polarización interna exactamente como R_prg. La mayoría de op-amps de fábrica, sin embargo, tienen este polarizado fijo por resistencia recortada precisamente.