Engenheiros e projetistas de equipamentos de áudio costumam o usar o termo “balanceado” para indicar uma transmissão diferencial de sinal. Esta idéia de simetria tem uma importância muito grande em sistemas diferenciais. O driver possui saída balanceada e a linha características balanceadas. Esses métodos de se manusear sinais encontra também aplicações em muitos outros setores da eletrônica principalmente os que envolvem a transmissão de dados. É dele que falaremos neste artigo traduzido com pequenas adaptações a partir de literatura da Texas Instruments.
Na prática existem dois métodos para se trabalhar com sinais diferenciais: eletrônico e com transformador. Os métodos eletrônicos tem a vantagem de serem de baixo custo, tamanho e peso reduzidos e sua resposta é melhor em toda a faixa de frequências de operação. Os transformadores, por outro lado, têm como principal vantagem sua rejeição em modo comum (CMRR) excelente, o isolamento galvânico, e nenhum consumo, com uma eficiência perto de 100%. Além disso possuem uma grande imunidade em ambientes com elevado nivel de EMC.
A possibilidade de termos amplificadores para sinais diferenciais completos, proporciona ao projetista mais recursos e mais facilidade para se obter circuitos anti-alias, filtros e outros.
O Amplificador Diferencial Completo
Um amplificador diferencial completo é semelhante, em arquitetura, a um amplificador operacional comum. Na figura 1 temos uma versão simplificada de um amplificador desse tipo.
Observe que Q1 e Q2 são as entradas do par diferencial. Num amplificador operacional comum, a corrente de saída é tomada de apenas um lado do par diferencial e é usada para excitar as etapas de saída que apresentam apenas um terminal ou “single ended”. No amplificador diferencial completo, ambas as saídas do par diferencial são usadas para excitar as etapas seguintes, desenvolvendo assim duas tensões de saída, para as saídas que também são diferenciais (OUT+ e OUT-).
Para uma primeira aproximação, a tensão comum nas entradas IN+ e IN- não provocam alteração no fluxo de corrente através de Q1 e Q2 e com isso não há tensão entre as saídas. Essa tensão é rejeitada. A tensão de saída em modo comum não é controlada pela entrada.
O amplificador de erro Vcm controla a tensão em modo comum através de sua amostragem, comparando-a com a tensão em Vcm a ajustando o feedback interno. Os dois trajetos complementares de amplificação compartilham o mesmo par diferencial de entrada, e suas características devem ser casadas com uma característica que permite que eles operem em pontos muito próximos um do outro. Isso significa que a distorção dos amplificadores também é casada o que leva o sinal de saída a ter distorções simétricas, capazes de cancelar harmônicas de qualquer ordem.
Os testes de laboratório mostram que os níveis da segunda harmônica numa saída diferencial são reduzidos para aproximadamente 5 dB no amplificador THS4141 (Texas) em uma frequência de 1 MHz quando comparados aos medidos em saídas single-ended. O nível medido na terceira harmônica não foi alterado.
Definições de Tensão
Para entender melhor o comportamento de um amplificador diferencial completo é importante ter em mente algumas definições de tensão que são usadas na sua descrição. A figura 2 mostra um diagrama de blocos que representa um amplificador diferencial completo e as definições para as tensões de entrada e de saída.
A diferença de tensões entre as entradas positiva e negativa é a entrada diferencial, Vid. A diferença entre essas duas tensões resulta na tensão em modo comum, Vic. A diferença entre as saídas positiva e negativa é a saída diferencial Vod.
A saída em modo comum Voc é a diferença entre as duas tensões de saída e é controlada pela tensão em Vcm. Af é o ganho do amplificador, o qual é dependente da frequência de tal forma que: Vod = Vid x Af
Aumentando a Imunidade ao Ruído
Quando sinais são transferidos de um local para outro, invariavelmente ruído é induzido no cabeamento. Num sistema diferencial, mantendo os fios de transporte desses sinais os mais próximos, quanto seja possível, um do outro podemos fazer com que o ruído induzido seja igual nas duas linhas e com isso apareça como uma tensão em modo comum.
O ruído também é gerado na linha de alimentação, aparecendo no modo comum o que permite sua rejeição. Na figura 3 mostramos como um amplificador diferencial completo rejeita esses ruídos externos que aparecem como tensões em modo comum.
Faixa Dinâmica Ampliada
Devido ao fato de que as fases das saídas diferenciais são opostas, a faixa dinâmica é ampliada em duas vezes quando comparada a um amplificador que tenha uma única saída, conforme mostra a figura 4.
Circuitos Básicos
Para manter o balanceamento num amplificador diferencial completo, feedback simétrico deve ser retirado das duas saídas e aplicado às duas entradas.
Os dois lados formam amplificadores inversores simétricos e as topologias tradicionais dos amplificadores operacionais comuns podem ser adotadas nos amplificadores diferenciais totais. Na figura 5 mostramos como manter um amplificador balanceado usando feedback simétrico.
Os resistores Rf e Rg devem ser iguais neste circuito. É importante manter a simetria nas duas redes de feedback para se obter uma boa performance em CMRR (Rejeição em modo comum). A CMRR é proporcional ao erro de casamento dos resistores.
Por exemplo, um erro de 0,1% resulta num CMRR de 60 dB. Para pequenas variações do feedback devido ao descasamento dos resistores, o ganho diferencial do amplificador é aproximadamente a média do ganho dos dois ramos.
O balanceamento das saídas é mantido pelo amplificador de erro Vcm.
Antigamente, a geração de sinais diferenciais era algo complicado. Diversos meios eram usados, requerendo até três amplificadores e capacitores de bloqueio de corrente contínua para fixar a tensão de saída em modo comum. Com um amplificador diferencial completo, uma solução muito mais elegante pode ser obtida. Na figura 6 mostramos um modo de se converter um sinal não simétrico (single ended) em um sinal diferencial.
Filtro Ativo Anti-alias
Uma das aplicações mais importantes dos amplificadores diferenciais completos é no condicionamento de sinais de entradas ADC. Filtros passa-baixa são necessários para manter o ruído anti-alias dentro da faixa de frequências apropriada.
Uma boa topologia é a que faz uso de feedbacks múltiplos (MFB) e que pode ser facilmente adaptada aos amplificadores diferenciais completos. Um circuito MFB é usado para se obter um par completo de pólos numa função de transferência de um filtro passa-baixas de segunda ordem. Um exemplo de aplicação é mostrado na figura 7.
A função de transferência do circuito é:
K fixa o ganho da faixa passante, fc é a frequência de forte do filtro, FSF é o fator de escala da frequência e Q é o mérito do circuito.
Onde Re é a parte real e Im é a parte imaginária do pólo de par complexo. Fixando R2 = R , C1 = C e C2 = nC temos:
Comece por determinar as relação m e n, necessárias para o ganho e Q do filtro que está sendo projeto e então selecione C, calculando R para o valor de fc desejado. A combinação de R4, R1 e C3 tem efeitos múltiplos. R4 isola a saída do amplificador da entrada do ADC. R4 e Rt proporciona uma dupla terminação da linha de transmissão entre o amplificador e o ADC, e formam um divisor de tensão.
C3 ajuda a absorver a injeção de carga da entrada do ADC. R4 e C3 formam um polo real que pode ser usado para elaborar um filtro de terceira ordem em conjunto com um par de pólo completo do estágio MFB ou simplesmente colocado acima das frequências visadas. O valor apropriado de Vcm é fornecido como uma saída de alguns ADCs que tenha entradas diferenciais. Tipicamente tudo isso necessita capacitores bypass de 0,1 uF ou/e 0,01 uF.
Se não fornecida, Vcm pode ser gerada pelas tensões de referência do ADC, conforme mostrado na figura 8.
A tensão no modo de soma deve ser metade da tensão de referência e vai centralizar Voc no centro da faixa de entrada do ADC. Cada pino de alimentação deve ter um capacitor de tântalo de 6,8 uF ou 10 uF em paralelo com um capacitor cerâmico de 0,1 uF ou 0,01 uF.
Conclusão
Os amplificadores diferenciais completos são muito semelhantes aos amplificadores operacionais comuns (single ended) exceto pelo fato de que sua saída é tomada dos dois lados do par diferencial, produzindo uma saída diferencial. Os sistemas diferenciais apresentam a vantagem de serem mais imunes aos ruídos externos, os quais são reduzidos em qualquer ordem de harmônicas a além disso possuem uma faixa dinâmica maior quando comparados com os amplificadores comuns. As topologias inversoras dos amplificadores podem ser adaptadas facilmente nesses amplificadores para se implementar dois circuitos de feedback. Estes amplificadores são ideais para excitar entradas diferenciais de ADCs, proporcionando um modo simples de filtragem e um uma rejeição em modo comum, que é facilmente ajustada via entrada Vcm.
Mais informações podem ser obtidas no site: www.ti.com/docs/products/analog/ths4141.html e www.ti.com/sc/docs/producs/analog/ths1050.html.
