Amplificador de Sinal Alternado com Fonte não Simétrica
Amplificador Diferencial (ou
de diferença)
Oscilador
(gerador) de onda quadrada
O amplificador operacional permite inúmeras ligações para os mais diversos circuitos. Aqui listo os mais interessantes.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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,
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.
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.
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.
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.
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.
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 |
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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:
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.
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