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Princípios e conceitos

 

O Amplificador Operacional

 

Alimentação

Amplificador de Sinal Alternado com Fonte não Simétrica

Amplificador Diferencial (ou de diferença)

Características Gerais

Comparador

Comparador de Janela

Detector de Passagem por Zero

Frequência Máxima

Gerador de Corrente Constante

Impedância de Entrada/Saída

Inversor

Oscilador (gerador) de onda quadrada

Não Inversor

“Rail-to-Rail”

Seguidor ou buffer

“Slew Rate”

Somador

Subtrator

 

Amplificador Operacional – principais configurações (ligações)

O amplificador operacional permite inúmeras ligações para os mais diversos circuitos. Aqui listo os mais interessantes.

Características gerais

Primeiro, basicamente é um circuito que realiza matemática, todas as configurações são facilmente explicadas com uma equação. Pode somar, subtrair, multiplicar, dividir e comparar valores, além de funções mais complexas como integral e derivada, além de outras.

Trabalha com sinais contínuos e alternados individualmente ou ao mesmo tempo.

Alimentação

Normalmente é alimentado com fonte simétrica para poder ter saída negativa, mas é possível ser alimentado com fonte simples também. Existem componentes para as mais diversas tensões.


Fonte simétrica

 


Fonte simples

 

“Rail-to-rail”

Outra característica importante é que o CI normalmente não trabalha nos extremos da fonte. Por exemplo, se a alimentação for simétrica de +15V e -15V, a saída trabalhará entre aproximadamente +13V e -13V. Existem componentes em que a saída consegue chegar até o valor da fonte, são os chamados “rail to rail” e deve ter essa especificação no data-sheet. Um exemplo desse último tipo é o MCP6231 da Microchip.

“Slew Rate”

A velocidade de resposta também é um fator importante, conhecido como “lew rate”, dado em Volts/microssegundos. Essa informação diz respeito à velocidade máxima de variação da saída para um sinal de entrada. Quanto maior o número, mais veloz e menos distorção.

Frequência máxima

A resposta de frequência pode ser um dado muito importante para o seu projeto. Corresponde à capacidade máxima de resposta para a tensão alternada. Para ter uma ideia, o tradicional 741 trabalha bem até 10KHz, já o LM358, 1MHz.

Impedância de entrada/saída

Esse dado é importante para projetos mais elaborados. O ideal é que o componente tivesse impedância de entrada infinita e de saída zero. Na realidade esse CI ainda não existe, mas a tecnologia moderna já produz peças com entrada maior que 500GΩ! Já a saída ainda não melhorou muito, tem impedância alta o suficiente para permitir poucos miliampères.

 

Circuitos Básicos

Amplificador inversor


Esse sem dúvida é o circuito mais comum. A fórmula do ganho é: . Também podemos calcular com as tensões: .

Funciona bem para sinais contínuos e alternados. Veja uma opção melhor para sinais alternados no índice.

É importante salientar que esse é a configuração mais comum porque por ser inversor, qualquer realimentação entre saída e entrada será sempre negativa e não tende a ruido. Em circuitos compactos e sujeitos a alta frequência, o simples fato de um componente de saída estar próximo à entrada pode ser suficiente para iniciar uma realimentação indesejada.

Nesse exemplo: , ou seja, o ganho é de -10. Se na entrada chegar 0,2V, vai sair 0,2 x (-10) = -2V.

Como funciona

Rf é o resistor de realimentação e Ri de entrada.

A entrada não inversora é ligada normalmente na referência (GND). O circuito está realimentado, então tentará fazer com que o valor da tensão da inversora fique igual à outra entrada, nesse caso, zero. Como os resistores Rf e Ri são diferentes, para que uma entrada fique no mesmo potencial da outra, os valores de corrente deverão ser diferentes, proporcionais aos valores das peças. Veja o desenho abaixo para a tensão de entrada de 0,2V:


Para que as correntes se anulem, a saída deve ter a polaridade invertida e a tensão proporcionalmente (aos resistores) maior que a entrada.

Outra forma de ver o ganho é através da regra de três que mostra a proporção:

Sempre lembrando que pelo fato do sinal estar entrando na inversora, a saída tem valor invertido.

 

Amplificador não inversor


Aqui a saída tem a mesma polaridade do sinal de entrada. Esse circuito tem o inconveniente de tender à oscilação se os componentes de saída ficarem muito próximos da entrada. Se for um amplificador de áudio, podem ocorrer apitos e chiados.

Funciona bem para sinais contínuos e alternados. Veja uma opção melhor para sinais alternados no índice.

O ganho tem a seguinte fórmula:

Nesse exemplo: , ou seja, o ganho é de 11. Se na entrada chegar 0,2V, vai sair 0,2 x 11 = 2,2V.

Como funciona

Aqui, a exemplo do amplificador inversor, está realimentado e as duas entradas tentarão ficar com o mesmo valor.

Rf e Ri formam um divisor resistivo que colocam uma fração do valor de saída na entrada inversora e o componente tentará fazer com que essa entrada fique com o mesmo valor da não inversora.

Vejamos o exemplo abaixo, para uma entrada de 0,2V:


Como a entrada inversora deve ter o mesmo valor da não inversora, a tensão sobre o resistor Ri deve ser exatamente igual. Dessa forma é possível ter a corrente elétrica, calculada pela lei de ohm: .

A tensão sobre Rf será:

O valor que deve existir na saída é a soma das tensões dos resistores, ou seja,

 

Amplificador seguidor ou “buffer”

Nesse caso o ganho é unitário, o que entra é o mesmo que sai, inclusive a mesma polaridade. A finalidade desse circuito é aproveitar as características de alta impedância de entrada e baixa de saída sem provocar nenhuma alteração no sinal. Então, é uma boa maneira de adaptar impedância.


Como funciona

Por ser realimentado, força a entrada inversora a ter o mesmo valor da não inversora. Não existem resistores para dividir a tensão, então a saída terá o mesmo valor da entrada.


 

Gerador de corrente constante ou conversor V/I

Para ter corrente elétrica constante e independente do valor da carga, uma maneira muito fácil é montando um amplificador não inversor e colocar a carga no lugar de Rf.


Ve é a tensão de controle que irá determinar o valor da corrente.

Como funciona


A corrente que circula pela carga é a mesma que passa por Ri. O amplificador é realimentado, então a entrada não inversora ficará com o mesmo valor da não inversora, independente do valor de resistência da carga! Dessa forma, alterando o a tensão de entrada, alteramos a corrente. Se usarmos para Ri o valor de 250Ω, teremos exatamente a correspondência de tensão e corrente usados em instrumentação industrial → 0 a 5V => 0 a 20mA. Veja o projeto apresentado em outro artigo nesse site.

Obviamente que tudo tem limite. Se por um lado a carga pode ser inclusive um curto-circuito e o circuito funciona perfeitamente, pois controla a corrente; por outro, carga com valor resistivo muito alto não funciona pelo fato de ser necessária uma tensão de saída muito alta, que a fonte não conseguiria fornecer.

 

Comparador


Aqui o amplificador não está realimentado e o ganho não está controlado. Dessa forma ele funciona como comparador de tensões, a entrada que estiver com a tensão mais positiva (ou menos negativa) predomina e satura a saída.

Como funciona

As entradas não estão realimentadas, então ele tem o ganho máximo para corrente contínua, que costuma ser maior que 100000. Qualquer valor de entrada já satura a saída e a entrada que estiver com o valor mais positivo prevalece.

Veja que basta um valor ser mais positivo, ou menos negativo.

Por exemplo, veja a tabela a seguir com diversos valores de exemplo:

Entrada não inversora

Entrada inversora

Saída

Observação

+2

0

+Vcc

+2 > 0

0

+2

-Vcc

0 < +2

+3

+2

+Vcc

+3 > +2

+2

+3

-Vcc

+2 < +3

-1

-4

+Vcc

-1 > -4

-4

-1

-Vcc

-4 < -1

+5

-6

+Vcc

+5 > -6

-6

+5

-Vcc

-6 < +5

0

0

Indeterminado

0 = 0

 

Comparador de janela

Caso necessite de uma janela de valores de tensão dentro da qual um evento deve ocorrer, esse circuito é bastante interessante. O gráfico exemplifica a atuação.


Por exemplo, se estiver monitorando uma temperatura e desejar que um led fique aceso quando sair do valor desejado, basta ajustar Vb para o mínimo e Va para o máximo. Quando a saída 'fugir' dos extremos, a saída satura para o valor de Vcc.

Como funciona

É possível ajustar os valores de Va e Vb de maneira fixa com resistores ou com potenciômetros para permitir alterações.


Comparador de janela com resistores fixos

 


Comparador de janela com potenciômetros

 

Nos dois circuitos o funcionamento é o mesmo. Vejamos o exemplo abaixo.


Supondo que Vb = +4V e Va = +6V. Assim, a janela de atuação será de +4 a +6V.

Na figura 1, a entrada está com +3V, abaixo do mínimo estabelecido por Vb. O amplificador de baixo satura positivamente e seu diodo fica polarizado em sentido direto. A saída fica positiva indicando a saída da faixa.

Semelhantemente acontece na figura 3, onde a entrada está com +7V, acima do máximo de Va. O primeiro operacional satura positivamente e o diodo correspondente conduz, fazendo a saída ficar positiva também.

Já na figura 2, a tensão de entrada de +5V está dentro da janela. Os dois amplificadores estão saturados negativamente, fazendo a saída ficar em zero.

 

Detector de passagem por zero


Caso você necessite saber exatamente quando uma senóide passou por zero, como por exemplo para controlar o disparo de tiristores, esse circuito é uma opção bastante interessante. Ele emite um sinal a cada inversão de polaridade da onda.

Como funciona

Essa montagem aproveita a característica do “slew rate”, que nada mais é que um atraso na resposta para variações rápidas na entrada para formar o sinal de saída. Veja os desenhos das formas de onda na figura:


O sinal a ser monitorado entra por Ri e tem os picos ceifados em D1 e D2, já que o que interessa são apenas as passagens por zero. Como a impedância de entrada dos amplificadores é muito alta, não é necessária quase nenhuma corrente circulando pelo resistor de entrada, então sugiro calculá-lo para 1mA.

Por exemplo, se a tensão de entrada for 48V, usando a lei de ohm temos: . O valor comercial mais próximo é 47KΩ. Lembrando que esse valor não é crítico.

Já os diodos podem ser de sinal comum, como os 1N4148. O sinal resultante do ceifamento é o que aparece na junção dos primeiros diodos. Eles tem barreira de potencial de aproximadamente 0,7V, suficiente para a detecção dos amplificadores.

Na saída dos operacionais aparece uma forma quase quadrada. O ângulo é devido, como já citado, ao “slew rate”.

Os diodos de saída (D3 e D4) somam os sinais, permitindo a passagem apenas do positivo de cada operacional, criando a forma de onda característica na saída. Toda vez que o sinal pulsar, ocorreu uma passagem por zero, que pode ser aproveitada no seu microcontrolador ou circuito de controle dos SCR's, TRIAC's, IGBT's ou qualquer coisa que queira manipular sincronamente à senoide.

 

Somador


Esse arranjo soma tensões tanto contínuas como alternadas. Tem tantas entradas quantas forem necessárias, bastando acrescentar resistores. O ganho pode ser ajustado independentemente e seu princípio de funcionamento é idêntico ao amplificador inversor.

Como funciona

Veja a figura:


As entradas colocam no nó da entrada inversora correntes proporcionais aos valores das tensões, seguindo a lei de ohm: I = U/R, no exemplo da primeira entrada, I = 0,5/10000 = 0,00005 = 50uA. A soma das três entradas dá 350uA.

A saída precisa gerar a mesma corrente para que a entrada inversora fique igual a não inversora (zero volt). Como a realimentação tem resistor de 10K, a tensão será: U = R x I → U = 10000 x -0,000350 = -3,5V.

Trocando em miúdos, se todos os resistores tiverem o mesmo valor, a saída será a soma de todas as entradas, apenas com sinal invertido por ser um amplificador inversor.

Se desejar que alguma entrada tenha ganho diferente, basta trocar os valores dos resistores.

A equação matemática que representa essa montagem é:

Ou seja, soma a tensão de cada entrada x ganho de cada entrada.

 

É possível fazer um somador que não inverte?

Sim, é possível, mas já vi alguns circuitos de amplificador não inversor somando direto. Nunca consegui fazer um funcionar assim. Minha sugestão é o circuito a seguir, que soma e depois outro amplificador inversor de ganho 1 desinverte o sinal.


Subtrator ou amplificador diferencial ou amplificador de diferença


Esse circuito é um caso a parte na eletrônica, principalmente na instrumentação industrial. Ele amplifica a diferença entre as duas entradas, ou seja: .

O resultado final, seja em corrente contínua ou alternada será sempre a subtração. Até aí, nada de mais, mas como no ambiente industrial é muito comum encontrarmos ruídos de motores, essa entrada diferencial é muito interessante por cancelar o ruído. Primeiro vejamos como é o seu funcionamento normal.

Como funciona


Vamos considerar o circuito acima em que todos os resistores tem o mesmo valor.

A entrada não inversora recebe a metade do valor da entrada 2 porque RI2 e RF2 formam um divisor resistivo. Assim, a realimentação na entrada inversora deve fazer com que tenha o mesmo valor, ou seja, +2,5V no exemplo.

O resistor RI1 terá uma diferença de potencial de 3 – 2,5 = 0,5V. Isso gerará uma corrente de .

O resistor de realimentação RF1 terá a mesma corrente que RI1, 50uA. Como o valor da resistência é igual, a queda de tensão também será: 0,5V. A exceção é que o valor terá sinal invertido por ser entrada inversora, então -0,5V.

Finalmente, a saída terá a soma do valor da entrada inversora com a tensão sobre RF1:

.

Simplificando, o resultado na saída será sempre a diferença entre as entradas.

V_saída = V_entrada2 – V_entrada1.

 

Outro uso para o amplificador diferencial

Pelo fato desse circuito subtrair as entradas, ele é muito interessante em aplicações industriais de instrumentação por cancelar o ruído. Vejamos como isso acontece.


O ruído tem a característica de ter o mesmo valor nos dois cabos, então quando chega no subtrator, os dois lados tem o mesmo valor e se anulam, já o sinal a ser medido passa normalmente. Matematicamente fica:

 

Amplificador de sinal alternado não inversor com fonte comum


Esse circuito é muito conveniente para amplificar sinais alternados usando uma fonte comum ou até mesmo bateria ou pilhas. A essência é um amplificador que tem ganho unitário para a corrente contínua e superior para a alternada.

Como funciona

Em corrente contínua os capacitores isolam partes do circuito, C1 impede qualquer retorno da entrada, C2 impede a realimentação para terra e C3 não deixa tensão contínua ir para a saída. Dessa forma, o resistor Rf realimenta toda a tensão de saída para a entrada inversora e o amplificador tem comportamento de buffer.

R1 e R2 formam um divisor resistivo que coloca metade da tensão de alimentação na entrada não inversora. Como o amplificador está funcionando como seguidor, essa mesma tensão chega na saída.


Graças a essa configuração, a tensão alternada se soma com a metade da tensão da fonte e o circuito trabalha como se fosse simétrico.

Quando o sinal alternado entra, passa por C1, tem a corrente de realimentação garantida por C2 e Ri e sai por C3, tendo o ganho calculado pela equação:

 

 

Oscilador – gerador – de onda quadrada


É possível gerar onda quadrada de diversas maneiras utilizando eletrônica, inclusive nesse site comento um utilizando o 555. Nesse caso, geramos a onda realimentando o amplificador e forçando uma histerese para garantir a instabilidade necessária para esse circuito.

Como funciona

A base de tempo é dada por R e C, no exemplo acima, R5 e C5. Eles fazem com que a tensão de saída seja injetada na entrada inversora, com algum tempo de retardo. Se fizessemos apenas isso, assim que as tensões de entrada e saída se igualassem, o circuito iria parar.

Para garantir que a oscilação permaneça, R9 e R10 realimentam a entrada não inversora. Dessa maneira, acontece o seguinte:

·         Digamos que a saída esteja positiva, o capacitor está carregando. A entrada não inversora está com metade da tensão:

Nesse caso, durante a carga, a tensão na entrada inversora é menor que a não inversora, a saída fica saturada no positivo.

·         Apenas quando a carga de C5 superar em tensão o valor da entrada não inversora, o CI vai inverter a saída, saturando no negativo. Nesse momento o divisor resistivo formado por R9 e R10 vai colocar a metade da saída na entrada não inversora, ou seja, -7,5V.

·         O capacitor vai se descarregar e recarregar com tensão negativa, indo ao encontro da tensão de -7,5V, quando o circuito inverte e começa tudo novamente.

 

Em eterna construção