Amplificadores Single‑Ended vs. Diferenciales: Diseño, Funcionamiento y Aplicaciones

Amplificadores Single‑Ended vs. Diferenciales

En el diseño de circuitos, los complejos interiores de un amplificador a menudo se simplifican en un único símbolo triangular. Esta abstracción mantiene los esquemas legibles mientras transmite la función esencial del dispositivo.

El símbolo muestra dos pines de alimentación (+V y –V) y terminales única de entrada y salida. Como todos los nodos de señal se referencian a un punto común llamado tierra, la entrada y la salida se representan como conductores simples. En muchos circuitos prácticos, uno de los rieles de alimentación se conecta a tierra.

Un circuito amplificador realista, completo con fuente de entrada, resistencia de carga y alimentación, tiene este aspecto:

Cómo Funciona el Amplificador

El esquema muestra de un vistazo: una tensión de entrada V_in se amplifica y excita una carga R_load. Para realizar un análisis detallado, se añadirían la ganancia de tensión A_V, ganancia de corriente A_I, ganancia de potencia A_P y el punto de polarización o Q‑point.

Cuando un amplificador debe entregar una forma de onda AC verdadera —es decir, oscilar tanto en positivo como en negativo— se utiliza una alimentación dividida (o dual). La tierra se sitúa a medio camino entre los rieles positivo y negativo, proporcionando una referencia de tensión simétrica.

Con una alimentación total de 30 V, una alimentación dividida produce rieles de ±15 V, permitiendo que la salida oscile de +15 V a –15 V. La amplitud pico‑a‑pico permanece igual, pero la salida puede cruzar cero sin componentes de acoplamiento adicionales.

Amplificadores Diferenciales

A diferencia de los amplificadores single‑ended, un amplificador diferencial amplifica la diferencia de tensión entre dos entradas. Usando el símbolo triangular, su esquema es:

Los dos pines de entrada están etiquetados (–) y (+), reflejando la influencia opuesta que cada uno tiene en la salida. El pin de salida está a la derecha, y los rieles de alimentación arriba y abajo.

Para un amplificador diferencial con ganancia de tensión de 4, las relaciones entrada‑salida se muestran en la tabla siguiente:

Conclusiones clave:

• Una tensión creciente en la entrada (+) eleva la salida.
• Una tensión creciente en la entrada (–) baja la salida.
• El pin (–) es la entrada inversora; el pin (+) es la entrada no inversora.

Para facilitar la comprensión, los ingenieros suelen modelar un amplificador diferencial como una fuente de tensión variable controlada por un voltímetro sensible:

En esta abstracción, el galvanómetro (un voltímetro sensible) establece la tensión de salida, mientras que las señales de entrada solo influyen en el ajuste. La corriente de salida real proviene de la alimentación, no de las señales de entrada.

Reglas de Polaridad

Cuando la tensión diferencial coincide con el etiquetado de las entradas, la salida es positiva. Cuando la polaridad entra en conflicto, la salida es negativa. Esto refleja cómo un voltímetro digital muestra la tensión: la punta roja se considera positiva.

Como un amplificador diferencial amplifica solo la diferencia entre sus dos entradas, la polaridad de la salida depende exclusivamente de los signos relativos de esas entradas, no de una sola entrada respecto a tierra.

Aplicaciones Prácticas

Los amplificadores diferenciales son omnipresentes en instrumentación y sistemas de control:

• En computadoras analógicas, comparan dos señales matemáticas.
• En instrumentación de procesos, miden diferencias entre magnitudes físicas (p. ej., niveles de fluido en dos tanques) y pueden disparar alarmas cuando la diferencia supera un umbral.
• En bucles de realimentación, comparan una variable de proceso con un punto de consigna. La señal diferencial resultante acciona un controlador (válvula, motor, etc.) para mantener el proceso cerca del punto de consigna.

Repaso Rápido

• Un símbolo triangular es una abreviatura de un amplificador; el lado ancho es la entrada, el estrecho la salida.
• Una alimentación dividida o dual proporciona rieles +V y –V con tierra en el punto medio, permitiendo salida AC verdadera.
• La mayoría de amplificadores tienen una entrada y una salida; los diferenciales tienen dos entradas y una salida, con salida proporcional a la diferencia de entradas.
• La tensión de salida de un amplificador diferencial viene dada por V_out = A_V (V_noinv – V_inv).

Hoja de Trabajo Relacionada

• Hoja de trabajo de Amplificadores Operacionales Básicos