Amplificador operacional - 3

Amplificador operacional - 3

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3 Circuitos com AmpOps

As montagens inversora e não - inversora são utilizadas numa infinidade de aplicações de processamento de sinal, designadamente de amplificação, filtragem, retificação de sinais, conversão e simulação de impedâncias, conversão tensão - corrente e corrente - tensão, etc. A seguir, estudam-se algumas aplicações que permitem ilustrar o enorme potencial prático do amplificador operacional de tensão.

3.1 Seguidor de Tensão

O circuito seguidor de tensão constitui uma das aplicações mais comuns do amplificador operacional (Figura 6; na literatura inglesa este circuito é designado por buffer, cuja tradução para a Língua Portuguesa é circuito amortecedor ou tampão).

Figura 6 Circuito seguidor de tensão O seguidor de tensão implementa um ganho unitário entre a entrada e a saída, resultado que à primeira vista poderia parecer destituído de aplicação prática.

Na Figura 7 apresentam-se dois circuitos que ilustram a utilidade prática do seguidor de tensão: em (a) a carga encontra-se ligada diretamente à fonte, cuja resistência interna introduz um divisor resistivo, ao passo que em (b) a fonte e a carga são intercaladas de um seguidor de tensão.

Figura 7 Aplicações do circuito seguidor de tensão

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Identificam-se as seguintes diferenças entre estes dois circuitos: no primeiro caso a tensão na carga é inferior àquela disponibilizada pela fonte,

e é a fonte de sinal quem fornece a potência à carga. Pelo contrário, no caso do circuito em (b) verifica-se a igualdade designadamente como resultado do ganho infinito e das impedâncias de entrada infinita e de saída nula do amplificador operacional. Para além do mais, neste caso é o amplificador operacional e não a fonte de sinal quem fornece potência à carga. Estas características justificam os títulos de circuito seguidor de tensão, isolador ou tampão.

O circuito seguidor de tensão pode ser encarado como caso limite da montagem não - inversora estudada anteriormente. Com efeito, e como se indica na Figura 6.b, os dois circuitos coincidem quando a resistência R1 é feita tender para infinito, situação durante a qual o valor da resistência R2 é irrelevante, exceto quando infinito, dado ser nula a corrente respectiva.

3.2 Somador Inversor

A montagem inversora pode ser utilizada para implementar a soma pesada de sinais elétricos (Figura 8).

Figura 8 Somador inversor

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A massa virtual do AmpOp implementa a soma das correntes fornecidas por cada uma das fontes de sinal,

e a resistência R converte-as na tensão

Uma das aplicações mais interessantes do somador na Figura 8 é a realização de um conversor

binariamente em função da ordem do bit na palavra, por exemplo R1=R, R2=R/2, R3=R/4

digital-analógico. Com efeito, se se admitir que as fontes de sinal vi valem 1 V ou 0 V consoante o valor lógico dos bit de uma palavra digital, e as resistências Ri se encontram pesadas Rk=R/2k-1, então a expressão da tensão na saída do AmpOp é

Por exemplo, as palavras digitais 10011 e 00001 (em decimal 19 e 1, respectivamente) conduzem aos valores da tensão na saída

respectivamente. Naturalmente que se pode sempre dimensionar o valor da resistência R de modo a redefinir a escala de amplitudes da tensão na saída.

3.3 Amplificador Inversor

Uma das limitações da montagem inversora simples é a dificuldade de na prática construir amplificadores com, simultaneamente, elevados ganho e resistência de entrada (reveja-se a Figura 15.4). Na montagem inversora simples, a especificação de um ganho de tensão elevado, -

R2/R1, convida a estabelecer um valor nominal relativamente pequeno para a resistência R1, ao passo que a exigência de uma elevada resistência de entrada, dada por recomenda exatamente o oposto. Um modo de obviar a esta limitação é a utilização do circuito representado na Figura 15.9, cuja análise se pode efetuar nos seguintes passos:

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Figura 15.9 Amplificador inversor de elevados ganho e resistência de entrada determinação da corrente que incide na massa virtual

determinação da tensão vx obtenção da expressão da corrente nas resistências R3 e R4, e

respectivamente, e, finalmente, determinação da tensão no nó de saída do AmpOp

Da relação (15.27) resulta a expressão do ganho da montagem na qual se inscreve a possibilidade de obter, simultaneamente, ganho e resistência de entrada elevados.

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3.4 Amplificador da Diferença

A utilização conjunta das montagens inversora e não-inversora permite realizar um circuito que implementa a amplificação da diferença entre dois sinais (Figura 10.a).

Figura 10 Amplificador da diferença

A aplicação do teorema da sobreposição das fontes permite identificar as seguintes duas contribuições para a tensão na saída do AmpOp (Figuras 10.b e 10.c): a parcela a qual basicamente coincide com a expressão da montagem não - inversora afetada do divisor resistivo implementado pelas resistências R1 e R2 na entrada, e a parcela

Eletricazine, página da engenharia elétrica e computação w.eletricazine.hpg.ig.com.br relativa à montagem inversora implementada pelas resistências R3 e R4 sobre o sinal v2 (note-se que, neste caso, as resistências ligadas ao nó positivo do AmpOp não alteram em nada o funcionamento da montagem inversora).

De acordo com as expressões (29) e (30), a tensão na saída é

que no caso particular em que se verifica a igualdade entre os cocientes R4/R3 e R2/R1 se simplifica para

3.5 Amplificador de Instrumentação

O principal inconveniente do amplificador diferença é o compromisso necessário entre o ganho de tensão e a resistência de entrada vista por cada uma das fontes de sinal. Uma alternativa a este circuito é o amplificador de instrumentação representado na Figura 1, neste caso constituído por dois amplificadores não inversores (AmpOps-1 e -2) e um amplificador diferença (AmpOp-3). Neste caso, a resistência de entrada vista por cada uma das duas fontes é infinita (coincidem ambas com a resistência de entrada dos terminais positivos dos AmpOps-1 e -2), ao passo que, como se verá de seguida, o ganho de tensão é dado pelo produto de dois cocientes entre resistências.

Figura 1 Amplificador de instrumentação

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A análise deste circuito pode ser efetuada em três passos:

(i) determinação das tensões nos nós negativos dos AmpOps-1 e -2; (i) obtenção das expressões das tensões nos respectivos nós de saída;

(i) aplicação da expressão do amplificador diferença para determinar a tensão na saída da montagem.

Assim, verifica-se que:

nos terminais negativo e positivo do AmpOp-1; nos terminais negativo e positivo do AmpOp-2; as correntes nas resistência R e Rx são, nos sentidos indicados, a corrente nas resistências Rx conduz às tensões nas saídas dos AmpOps-1 e -2

e respectivamente, cuja diferença

Eletricazine, página da engenharia elétrica e computação w.eletricazine.hpg.ig.com.br é aplicada ao amplificador implementado pelo AmpOp-3. Assim, admitindo que as resistências no amplificador diferença verificam a igualdade R4/R3=R2/R1 (ver as expressões derivadas anteriormente para o amplificador diferença), obtém-se

relação na qual se inscreve o ganho diferencial

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