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.SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microelectronic Circuits. 7. ed. Oxford: Oxford University Press, 2015. p. 532-535. 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.RAZAVI, Behzad. Design of Analog CMOS Integrated Circuits. 2. ed. New York: McGraw-Hill, 2016. p. 110-112.
Dadas duas tensões de entrada, e , um amplificador diferencial ideal fornece uma tensão de saída proporcional apenas à diferença entre elas, conforme a equação:
onde representa o ganho diferencial.
miniatura|centro|300px|Circuito prático de um amplificador diferencial (subtrator) implementado com um amplificador operacional e resistores.
A principal vantagem desta configuração em relação aos amplificadores de entrada única é a sua capacidade inerente de rejeitar ruídos eletromagnéticos e interferências externas (tensão de modo comum). Por essa razão, os amplificadores diferenciais são vitais na instrumentação de alta precisão, como na captação de biossinais de baixa amplitude (ex: ECG), no controle de servomecanismos e em sistemas de telecomunicações.BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson Education, 2013. p. 612-615.
Contexto Histórico A origem do amplificador diferencial remonta à era das válvulas termiônicas, décadas antes da invenção dos transístores. O desenvolvimento desta topologia foi impulsionado principalmente pela necessidade de cientistas, médicos e engenheiros isolarem sinais elétricos biológicos extremamente fracos das interferências eletromagnéticas externas.MATTHEWS, B. H. C. A special purpose amplifier for electrophysiological purposes. Journal of Physiology, vol. 81, 1934.
O primeiro registro de um circuito semelhante ao par acoplado por emissor (conhecido na época como "par de cauda longa") foi publicado pelo neurofisiologista britânico Bryan Matthews em 1934. Contudo, o projeto definitivo, funcional e formalmente reconhecido do par diferencial foi patenteado pelo célebre engenheiro britânico Alan Blumlein em 1936.BLUMLEIN, Alan. Improvements in and relating to Thermionic Valve Amplifying Circuits. Patente do Reino Unido nº 482,740, submetida em 1936, emitida em 1938. A invenção de Blumlein tinha o propósito inicial de reduzir a diafonia e ruídos em linhas telefônicas de longa distância, sendo posteriormente adaptada para sistemas de comutação em radar e televisão.
No final da década de 1930, a topologia consolidou-se no meio científico através dos trabalhos independentes de pesquisadores como Franklin Offner (1937), Otto Schmitt (1937) e Jan Friedrich Toennies (1938). Esses cientistas aplicaram o circuito especificamente na área de eletrofisiologia para a medição de impulsos nervosos e cardíacos, aproveitando a capacidade inata do circuito de cancelar os ruídos comuns ao corpo do paciente.
Mais tarde, o par de cauda longa desempenhou um papel crucial na computação primitiva, sendo a base dos circuitos lógicos de computadores britânicos pioneiros, como o Pilot ACE. Com a transição para a tecnologia de estado sólido e o surgimento do circuito integrado na década de 1960, o amplificador diferencial tornou-se o bloco de construção fundamental e o estágio de entrada obrigatório de quase todos os amplificadores operacionais modernos.SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microelectronic Circuits. 7ª ed. Oxford University Press, 2014.
Princípio de Funcionamento
A Topologia do Par Diferencial
thumb|direita|Diagrama esquemático clássico do par diferencial (par de cauda longa) construído com dois transistores bipolares acoplados pelo emissor.
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, e , 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, ), que dita a corrente total de polarização do circuito, conhecida como "cauda" ().
As bases dos dois transistores atuam como as duas entradas do circuito ( e ), enquanto os coletores, alimentados por resistores de carga iguais (), fornecem as saídas. O circuito pode operar tanto com saída diferencial (medida entre os dois coletores) quanto com saída simples ou terminação única (single-ended), extraída de apenas um dos coletores em relação ao terra.
Par Diferencial MOSFET (Tecnologia CMOS) Embora a topologia clássica do par diferencial tenha sido popularizada com transistores bipolares (BJT), a grande maioria dos circuitos integrados modernos — como os microprocessadores, memórias e chips de comunicação atuais — utiliza transistores de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor (MOSFET) em configurações CMOS.
No par diferencial MOSFET, os transistores são acoplados pelas suas fontes (sources), substituindo os emissores da versão BJT, e os sinais de entrada são aplicados nas comportas (gates). A principal vantagem desta abordagem em relação aos BJTs é que a impedância de entrada dos MOSFETs é puramente capacitiva e idealmente infinita em baixas frequências, o que significa que o circuito não drena praticamente nenhuma corrente da fonte de sinal. Isto reduz drasticamente o efeito de carga sobre os sensores ou estágios anteriores. Além disso, os circuitos CMOS permitem uma densidade de integração imensamente maior na pastilha de silício, sendo a base da eletrônica digital e analógica de alta escala contemporânea.
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.
Modo Diferencial
No modo diferencial, aplicam-se tensões com polaridades opostas (com o mesmo valor absoluto) nas duas entradas ( e ). Quando a tensão na base de aumenta e a de diminui, conduz mais corrente e 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 diminui, enquanto a de aumenta. Essa variação gera um sinal amplificado na saída diferencial, caracterizado pelo ganho de modo diferencial, .
Modo Comum
No modo comum, a mesma tensão é aplicada simultaneamente a ambas as entradas (). Como os transistores são idênticos e as tensões de base variam igualmente, a divisão de corrente entre eles não se altera. Em um cenário ideal com uma fonte de corrente infinita na cauda, as tensões nos coletores permaneceriam inalteradas, resultando em uma variação de saída diferencial igual a zero. Na prática, no entanto, a fonte de corrente possui uma impedância finita, o que faz com que uma pequena porção desse sinal de ruído passe para a saída, resultando no ganho de modo comum, .
Equacionamento e Razão de Rejeição de Modo Comum (CMRR) thumb|direita|Representação visual de um amplificador diferencial atuando como subtrator: os sinais de entrada estão corrompidos por ruído de modo comum, mas a saída entrega o sinal diferencial perfeitamente limpo. Em um amplificador real, a saída não depende exclusivamente da diferença entre os sinais. A tensão de saída real também é influenciada pelo nível médio (modo comum) presente em ambas as entradas. A equação completa que descreve a tensão de saída é dada pela soma das contribuições do ganho diferencial () e do ganho de modo comum ():
Em um componente ideal, o ganho de modo comum seria exatamente zero. Contudo, devido a pequenas assimetrias físicas de fabricação (como o desbalanço milimétrico na dopagem de semicondutores), possui um valor indesejado. Para medir a eficiência do amplificador em rejeitar esses ruídos, utiliza-se a Razão de Rejeição de Modo Comum (frequentemente abreviada como CMRR, do inglês Common-Mode Rejection Ratio).
O CMRR é definido pela proporção entre o ganho diferencial e o ganho comum. Devido à sua grande escala, é geralmente expresso em decibéis (dB) pela fórmula:
Um amplificador diferencial de alta qualidade possui um ganho de modo diferencial elevado e um ganho de modo comum próximo de zero. Em aplicações de instrumentação e eletrônica biomédica de alta precisão, são exigidos amplificadores com valores de CMRR extremamente elevados (tipicamente entre 90 dB e 120 dB). Um CMRR de 100 dB, por exemplo, significa que o sinal diferencial desejado será amplificado 100.000 vezes mais do que o ruído indesejado de modo comum.
Modos Extremos de Operação
miniatura|esquerda|Curva de transferência característica de um amplificador diferencial, demonstrando a região linear ao centro e as zonas de saturação (modo de sobrecarga) nas extremidades.
Embora a análise clássica se concentre na região linear ideal do amplificador diferencial, o circuito apresenta comportamentos cruciais sob condições extremas de sinal de entrada:
Sobrecarga (Overdriven): Se a tensão diferencial de entrada aumentar significativamente (tipicamente além de 100 a 200 milivolts em transistores bipolares), o transistor acionado pela tensão mais baixa entra em corte, enquanto o transistor com a tensão mais alta satura ou passa a conduzir integralmente a corrente da fonte da "cauda". Neste modo saturado, o amplificador atua como um interruptor de estado sólido de altíssima velocidade. Esse é o princípio fundamental utilizado nas portas lógicas rápidas da família de computação ECL (Lógica Acoplada por Emissor). Ruptura (Breakdown): Se a tensão de entrada continuar aumentando excessivamente após a sobrecarga e ultrapassar o limite físico do componente, a junção base-emissor do transistor em corte pode atingir a sua tensão de ruptura reversa. Sem resistências adequadas de proteção conectadas em série na entrada, a corrente ilimitada fluirá diretamente através de uma configuração que atua como uma "ponte de diodos" na entrada, podendo danificar o circuito permanentemente.
Impedâncias de Entrada e Saída A impedância de entrada de um par diferencial não é fixa; ela depende fortemente da forma como os sinais interagem com a topologia:
Modo Comum: As duas metades do circuito comportam-se como dois estágios em coletor comum (seguidores de emissor) em paralelo, compartilhando uma carga de emissor de altíssima resistência (a fonte de corrente na "cauda"). Como resultado, a impedância de entrada observada no modo comum é extremamente elevada, dificultando que correntes de ruído entrem no circuito. Modo Diferencial: No modo de operação ideal, o nó de acoplamento dos emissores atua como um terra virtual. O circuito passa a se comportar como dois estágios em emissor comum rigidamente aterrados. Consequentemente, a impedância de entrada diferencial é substancialmente menor do que a de modo comum, exigindo cuidado no projeto para não gerar efeito de carga sobre sensores muito sensíveis acoplados à entrada.
A impedância de saída em uma topologia clássica é majoritariamente dominada pelas resistências de coletor (ou dreno). Contudo, em arranjos modernos utilizando espelhos de corrente atuando como cargas ativas, a impedância de saída passa a ser significativamente mais alta.
Avanços na Topologia Interna
Espelho de Corrente como Carga Ativa