Princípios e conceitos

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