Alimentação de Operacionais com Fontes Simples (ART842)

Um dos problemas mais comuns quando são utilizados amplificadores operacionais num projeto é a necessidade que se tem de utilizar uma fonte de alimentação simétrica (duas tensões). Em muitos casos, a disponibilidade de uma fonte única leva a problemas que encarecem ou aumentam a complexidade do circuito como gerar uma tensão negativa a partir de circuitos adicionais. No entanto, o desempenho dos operacionais com fontes simples pode ser o mesmo obtido com fontes duplas modelar os circuitos para esta modalidade de operação não é tão difícil conforme veremos neste artigo. Este artigo é baseado em documentação da Burr-Brown.

 

 Para entendermos a diferença entre os dois modos de operação partimos dos circuitos mostrados na figura 1.

 

Figura 1 -: Amplificadores operacionais em configuração com fonte simétrica (a) e com fonte simples (b).
Figura 1 -: Amplificadores operacionais em configuração com fonte simétrica (a) e com fonte simples (b).

 

 Observe que na configuração (a) não existe uma conexão de terra no amplificador operacional. O potencial de terra, tomado como referência, tem um valor que normalmente é metade da tensão de alimentação do circuito. Para este circuito, o amplificador operacional "desconhece" o potencial de terra.

O circuito tomado como exemplo é um seguidor de tensão, ou seja, o ganho é unitário. Neste circuito, a tensão de saída é igual à tensão de entrada. Veja que a tensão de saída pode oscilar entre valores positivos e negativos em relação à terra tomada como referência.

Nas aplicações práticas os amplificadores nesta configuração não conseguem uma excursão total entre os valores utilizados na alimentação. Normalmente, com uma fonte de 15 + 15 V, a tensão de saída vai oscilar entre -13 V e + 13 V. Amplificadores que conseguem chegar bem mais próximos da tensão de alimentação na sua excursão de saída são denominados "rail-to-rail".

Na configuração mostrada em (b), por outro lado, o circuito é alimentado com uma fonte simples de 30 V. Veja então que o sinal de saída vai ter uma excursão que tem por máximo 2 V a menos do que a tensão utilizada na alimentação, ou seja, vai oscilar entre 0 e 28 V, neste exemplo.

Na prática, qualquer amplificador operacional pode ser usado desta forma, no entanto, existem tipos específicos mais recomendados para este tipo de operação. Os motivos para que um amplificador operacional não possa ser utilizado com fontes simples estão nas suas características elétricas.

Um dos motivos que dificultam a utilização de um amplificador operacional com fonte simples é a faixa limitada de rejeição em modo comum que é dependente da temperatura. O outro ponto é justamente a faixa de tensões de excursão de saída que não abrange a faixa total até a tensão de alimentação.

Assim, quando a tensão de se aproxima da tensão de alimentação, o amplificador satura e sua saída não alcança o valor desejado. Isso quer dizer que um amplificador operacional alimentado com 12 V, por exemplo, só pode operar satisfatoriamente com sinais de entrada até aproximadamente 10 V.

Veja, entretanto, que o aumento da faixa de rejeição em modo comum compromete outras características do amplificador operacional como a corrente de offset de entrada, drift e também o ruído. Nas aplicações menos críticas, a degradação destas características não compromete o projeto, mas nas aplicações críticas, como instrumentação, isso deve ser olhado com cuidado.

Para utilizar um amplificador operacional com fonte simples, comprometendo ao mínimo suas características, existem diversas alternativas. A primeira delas é mostrada na figura 2.

 

Figura 2 - Sinais bipolares referenciados a um terra flutuante podem ser amplificados com esta configuração, com um mínimo de perdas no desempenho do amplificador operacional.
Figura 2 - Sinais bipolares referenciados a um terra flutuante podem ser amplificados com esta configuração, com um mínimo de perdas no desempenho do amplificador operacional.

 

 O valor do diodo zener deve ser um pouco menor do que a tensão utilizada na alimentação, levando-se em conta a excursão do sinal de saída desejado. Junto ao diagrama temos as fórmulas principais para as características obtidas nesta configuração. Um ponto importante a ser observado nesta configuração é que a corrente de carga flui pelo terra virtual.

Assim, o diodo zener deve ser dimensionado para poder conduzir esta corrente adicional. Outro ponto importante é manter a corrente de saída de tal forma que a tensão no diodo zener fique sempre positiva, de modo que ele possa atuar corretamente no circuito.

O amplificador mostrado é inversor. Para uma configuração não inversora, podemos adotar o circuito da figura 3.

 

Figura 3 - Configuração equivalente a do circuito da figura 2, mas não inversora. Os componentes de realimentação são responsáveis por uma corrente adicional no diodo zener.
Figura 3 - Configuração equivalente a do circuito da figura 2, mas não inversora. Os componentes de realimentação são responsáveis por uma corrente adicional no diodo zener.

 

 A corrente adicional no diodo zener é dada pela soma das correntes nos dois resistores. Da mesma forma, o diodo zener deve ser dimensionado para poder manusear esta corrente. É preciso observar que mesmo em amplificadores operacionais com FET na entrada, quando a tensão de entrada em modo comum se torna alta, a corrente de polarização pode ser maior do que em amplificadores comuns bipolares, na operação com fonte simples.

Uma forma de se obter o terra virtual é com o uso de divisores resistivos, conforme mostra a figura 4. Neste circuito a impedância do circuito de terra é determinada pela combinação dos resistores do divisor.

 

Figura 4 - Terra virtual obtido com um divisor resistivo, sem o uso de diodo zener.
Figura 4 - Terra virtual obtido com um divisor resistivo, sem o uso de diodo zener.

 

 A relação entre os valores dos resistores utilizados no circuito de realimentação determina o ganho deste amplificador. Como a entrada e a saída tem como referência o mesmo ponto flutuante de terra, a impedância não é afetada pelo ganho. Um outro ponto a ser considerado é que os resistores utilizados têm valores relativamente baixo, o que influi no consumo do circuito.

Também deve ser considerado que a corrente de carga flui por este resistor, o que deve ser considerado no seu dimensionamento, para que não ocorram alterações na faixa dinâmica de correntes de saída. Uma forma de se obter uma impedância baixa de saída, sem ser afetada pelo terra flutuante é através do uso de um regulador de tensão externo, conforme mostra a figura 5.

 

Figura 5 - Nos circuitos que tenham uma fonte lógica de 5 V, ela pode ser utilizada para fornecer a tensão de referência, conforme indicado nesta figura.
Figura 5 - Nos circuitos que tenham uma fonte lógica de 5 V, ela pode ser utilizada para fornecer a tensão de referência, conforme indicado nesta figura.

 

 Ao se adotar esta solução para se obter um terra flutuante para um amplificador operacional é preciso que o projetista esteja atento ao fato de que muitos reguladores de tensão exigem uma corrente mínima de operação. Se sua carga normal estiver desligada, a tensão na sua saída se elevará e teremos um novo patamar para o terra flutuante, que seria o segundo circuito alimentado, este com baixa corrente. Uma solução melhor para se obter um terra flutuante de baixa impedância é com um amplificador operacional a mais, usado como buffer, conforme mostra a figura 6.

 

Figura 6 -: Amplificador operacional buffer usado para fornecer um trra flutuante de baixa impedância.
Figura 6 -: Amplificador operacional buffer usado para fornecer um trra flutuante de baixa impedância.

 

 Observe os sentidos de circulação da corrente pelo terra para diferentes sentidos de circulação de corrente pela carga. Os resistores de 22 k no amplificador buffer determina a referência de tensão para o amplificador principal. Neste circuito as características de impedância de saída sem realimentação e resposta de freqüência do buffer vão determinar as características de todo o circuito. Na figura 7 temos uma técnica comum de utilização de fonte de duas tensões não balanceada que é empregada com amplificadores operacionais de alta tensão.

 

Figura 7 -: Configuração com fonte de duas tensões não balanceada para amplificadores operacionais alimentados por alta tensão.
Figura 7 -: Configuração com fonte de duas tensões não balanceada para amplificadores operacionais alimentados por alta tensão.

 

 Neste tipo de circuito, uma pequena tensão negativa é utilizada para garantir que na excursão negativa da tensão de saída ela chegue a zero, o que de outra forma não seria possível. Outra categoria de configurações que podem operar com fonte simples é a dos amplificadores diferenciais.

Na figura 8 temos um exemplo de amplificador diferencial que utiliza fonte de alimentação não simétrica. A base é o circuito integrado INA105.

 

Figura 8 - Amplificador diferencial que faz uso de fonte simples com o circuito integrado INA105
Figura 8 - Amplificador diferencial que faz uso de fonte simples com o circuito integrado INA105

 

 O componente indicado já possui resistores internos casados para maior precisão. Nas aplicações comuns, o pino 1 normalmente é aterrado. Este pino pode ser referenciado a um terra virtual também, como nas aplicações que vimos neste artigo. Também podemos citar nesta categoria de circuitos os amplificadores para instrumentação, como o mostrado na figura 9.

Esta configuração é baseada no circuito integrado INA102 que já possui internamente três amplificadores operacionais interligados. Os dois primeiros são seguidores de tensão e o amplificador final dá o ganho do circuito com uma baixa impedância de saída.

 

Figura 9 - Amplificador para instrumentação com fonte simples e terra flutuante.
Figura 9 - Amplificador para instrumentação com fonte simples e terra flutuante.

 

 

Conclusão

Conforme vimos neste artigo, os amplificadores operacionais comuns podem ser utilizados de uma forma eficiente em circuitos que possuam fontes simples. Uma tensão de referência ou terra flutuante pode ser criado de diversas formas e com isso levar o circuito a uma operação apropriada. Lembramos apenas que a Burr-Brown que sugere muitas das sugestões, que aproveitamos neste artigo, é uma subsidiária da Texas Instruments.

Informativo Mensal

 Para se manter atualizado com nossas novidades e notícias, Siga-nos pelo:
Twitter
Facebook
Linkedin

ou torne-se membro de nosso grupo:
Google Group 
Yahoo Group


Respeito
Os homens mais respeitados não são sempre os mais respeitáveis
Marquês de Maricá (1773 - 1848) - Máximas

Instituto Newton C Braga - 2014 - Entre em contato - Como Anunciar - Políticas do Site
+conexões

Seja mais um amigo facebook
Siga-me twitter
Apoio Social
Lions Clube de Guarulhos Sul SOS Mater Amabilis
Advertise in Brazil
If your business is Electronics, components or devices, this site is the correct place to insert your advertisement (see more)