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Circuitos Subtrator e Reforçadores de Corrente Usando o Amplificador Operacional
Introdução A análise de circuitos lineares com amplificadores operacionais é muito simplificada quando se supõe o amplificador operacional ideal. Neste caso, e considerando o fato de o circuito ser linear, a análise pode ser feita aplicando os teoremas já estabelecidos na teoria de circuitos elétricos, por exemplo: leis de Kirchhoff, teorema da superposição, teorema de Thevenin etc. Um circuito usando amplificador operacional é caracterizado como um circuito linear quando o mesmo opera de forma que o sinal que for introduzido na entrada do circuito não sofre alteração em suas características. Por exemplo, se na entrada do circuito for introduzida uma onda senoidal, este sinal será processado segundo a finalidade que se propõe o circuito mas não haverá a possibilidade de que o sinal na saída do circuito seja alterado. Circuitos que não são capazes de alterar forma de onda são caracterizados como circuitos lineares. Isto é dito por que há uma série de circuitos que são modificadores de forma de onda e, portanto, são tratados como circuitos não lineares. O que se desenvolverá a seguir é a análise de alguns circuitos que se podem dizer que são circuitos lineares.
O amplificador subtrator (amplificador diferencial)
Este circuito permite que se obtenha na saída uma tensão igual à diferença entre os sinais aplicados nas entradas, multiplicado por um ganho de tensão. Trata-se de um amplificador de inúmeras aplicações na área de instrumentação eletrônica. A figura 1 mostra tal configuração.
Pode-se usar o teorema da superposição no circuito da figura 1 para se calcular v (^) saída. Relação entre v (^) saída e v 1. v 2 estará curto-circuitada. v = (R 2 x v 1 ) / (R 1 + R 2 ) v (^) saída1 = [(R 1 + R 2 ) / R 1 ] x v Relação para o amplificador não inversor v (^) saída1 = [(R 1 + R 2 ) / R 1 ] x [(R 2 x v 1 ) / (R 1 + R 2 )] v (^) saída1 = (R2 / R1) x v 1 Relação entre v (^) saída e v 2. v 1 estará curto-circuitada. v (^) saída2 = – (R 2 / R 1 ) x v 2 Relação para o amplificador inversor v (^) saída = v (^) saída1 + v (^) saída v (^) saída = (R 2 / R 1 )( v 1 – v 2 )
O amplificador de instrumentação
Chama-se amplificador de instrumentação a um tipo especial de circuito formado por alguns amplificadores operacionais e que se permite obter algumas características citadas a seguir: Impedância de entrada extremamente elevada. Impedância de saída extremamente baixa. Razão de Rejeição do modo comum extremamente elevada. Tensão de offset de entrada extremamente baixa.
Um amplificador de instrumentação é usado especialmente em aplicações onde as entradas são uma pequena tensão diferencial e uma grande tensão de modo comum. É usado em circuitos de controle de processos industriais e em circuitos de biomedicina. Normalmente um dos sinais de entrada (v 1 ou v 2 ) é proveniente de sensores ou transdutores colocados nas malhas de controle do sistema e o outro sinal é fixado num determinado valor denominado referência ou “set-point”, o qual “informa” ao sistema a condição na qual o mesmo está estabilizado ou, em outras palavras, fornece a condição desejada para o sistema. A figura 2 mostra tal configuração e o resistor variável no circuito serve para fazer o ajuste da razão de rejeição do modo comum do circuito. O amplificador de instrumentação é, na verdade, a junção do amplificador subtrator (ou diferencial) e dois circuitos seguidores de tensão.
v (^) saída = (R 2 / R 1 ) x v (^) entrada v (^) saída = (R 2 / R 1 ) x (v 1 – v 2 )
Reforçadores de corrente para os amplificadores de tensão
A corrente máxima de saída de um amplificador operacional é limitada. Por exemplo, o 741 tem uma saída máxima de corrente de 25 mA. Se a carga exigir mias do que isto, é preciso acrescentar à saída do circuito um reforçador de corrente. A figura 3 mostra um circuito reforçador de corrente unidirecional. Com o transistor dentro da malha de realimentação, a realimentação negativa automaticamente ajusta VBE para o valor exigido. O circuito é composto de um amplificador não inversor acrescentado de um seguidor de tensão ligado ao transistor. O amplificador não inversor só precisa fornecer a corrente de base do transistor. A corrente de carga é fornecida pelo transistor. Como consequência, o reforçador de corrente permite usar resistências de carga menores.
Fontes de corrente controladas pela tensão
A figura 5 mostra um circuito que pode se chamado de fonte de corrente controlada por tensão e a corrente de saída independe do valor da resistência de carga. Como as correntes do coletor e do emissor são praticamente iguais, pode-se dizer que a corrente de carga flui através do resistor de realimentação R. A corrente de carga fica estabilizada.
IRL = IR = (VCC – v (^) entrada) / R
Há um limite para corrente de saída que o circuito pode fornecer. A corrente de base do transistor é igual a i (^) saída / β (^) CC. Como o amplificador operacional tem que alimentar essa corrente de base, i (^) saída / β (^) CC precisa ser menor que a máxima corrente de saída do amplificador operacional dada pelo fabricante. Há também um limite na tensão da saída do circuito. À medida que a resistência da carga aumenta, a tensão da carga aumenta. Eventualmente, o transistor cai fora da região ativa porque ele entra na região de saturação. Portanto, a corrente de saída multiplicada pela maior resistência de carga não pode ultrapassar a tensão v (^) entrada.
A figura 6 mostra um outro circuito de fonte de corrente controlada pela tensão com a corrente de saída proporcional à tensão de entrada. Este circuito é útil sempre que se tiver que converter uma tensão de entrada numa corrente de saída. A limitação deste circuito está no fato de que somente tensões positivas podem ser geradas através da carga devido à corrente unidirecional no transistor de saída.
I 1 = v (^) entrada / R I 2 ≈ I 1 = v (^) entrada / R VC = VCC – R I 2 = VCC – v (^) entrada IR = (VCC – VC) / R = (VCC – VCC – v (^) entrada) / R IR = v (^) entrada / R IRL ≈ IR = v (^) entrada / R
