Amplificadores de Vídeo (ART2263)

Os amplificadores de vídeo são dispositivos que devem apresentar características especiais. Em princípio, são bastante semelhantes aos amplificadores operacionais, com a diferença de que devem ter uma faixa de freqüências de operação mais ampla e um ganho menor. Neste artigo, baseado em documentação técnica da Texas Instruments, abordamos um pouco do funcionamento destes dispositivos e damos aplicativos para os tipos NE592 e MC1445.

Obs. Este artigo é de 1989, época em que os sinais usados para imagem da TV analógica e aplicativos eram sinais de vídeo composto. Assim, estes componentes, que encontram equivalentes mais modernos, eram usados para amplificar tais sinais.

Um amplificador de vídeo se assemelha a um amplificador operacional, exceto pelo ganho e faixa de operação.

Um amplificador operacional ideal, como sabemos, possui impedância de entrada infinita, impedância de saída nula, ganho infinito e offset nulo.

Na prática, entretanto, sabemos que essas características estão longe de serem alcançadas.

Assim, para um amplificador de vídeo, basta se ampliar um pouco as características dos amplificadores operacionais.

Em lugar dos apenas 100 kHz de largura de faixa típico, precisamos de pelo menos 100 MHz.

Do mesmo modo, o ganho pode ser reduzido para 40 dB, quando o normal num operacional é de 100 dB.

Como os amplificadores de vídeo produzem um certo deslocamento de fase interno, não é possível fazê-los trabalhar com realimentação negativa.

Deste modo, sua operação se faz exclusivamente sem realimentação externa.

Os amplificadores de vídeo também possuem uma excursão da tensão de saída limitada.

Para operação em frequências muito altas, esta excursão está limitada em poucos volts.

Na tabela temos as características de alguns amplificadores de vídeo comuns.

 


 

 

Na figura 1 temos a estrutura básica da etapa de entrada de um amplificador de vídeo.

 

   Figura 1 – Circuito típico de um amplificador de vídeo
Figura 1 – Circuito típico de um amplificador de vídeo

 

Conforme podemos ver, ela consiste num par diferencial de transistores acoplados pelo emissor a uma fonte de corrente constante, que também é formada por um transistor.

Os antigos amplificadores de vídeo possuem somente esta etapa acrescida de alguns poucos resistores e diodos, ficando os demais componentes do circuito externamente montados.

Na etapa mostrada na figura 1, existe uma entrada de polarização que permite ajustar a excursão do sinal de saída de modo que ela seja simétrica em relação à terra.

Conforme citamos na introdução, as características dos amplificadores de vídeo são similares às dos amplificadores operacionais, mas é importante dar definições de alguns termos aplicados especificadamente aos amplificadores de vídeo.

 

GANHO DE TENSÃO

Os amplificadores de vídeo possuem uma entrada e uma saída diferencial.

Assim, o ganho de tensão é definido como a relação entre as variações da tensão de saída e as variações correspondentes da tensão do sinal de entrada, conforme a seguinte equação:

Ganho = VOD / VID

O Circuito da figura 2 mostra a maneira como podemos polarizar o amplificador de vídeo para obtermos o ganho.

 

   Figura 2 - Polarização
Figura 2 - Polarização

 

 

TENSÃO DE SAÍDA EM MODO COMUM

Se aterrarmos as duas entradas de um amplificador de vídeo, as saídas devem apresentar, teoricamente, o mesmo nível de tensão em relação à terra.

Na prática, porém, isso não ocorre, pois existem pequenas diferenças de ganho entre os transistores, o que nos leva a definir a tensão de saída em modo comum como a média das tensões em relação à terra.

A seguinte equação permite determinar esta tensão:

VOC = (Vo1 + Vo2)/2

 

TENSÃO OFFSET DE SAÍDA

Quando o amplificador funcionar nas condições apresentadas na figura 3, a diferença entre os níveis DC das duas saídas será definida como tensão offset de saída (Voo = Vo1 - Vo2).

 

   Figura 3 – Outro modo de operação
Figura 3 – Outro modo de operação

 

A tensão offset pode ser comparada à tensão de entrada fazendo sua divisão para o ganho diferencial de tensão do amplificador.

Os amplificadores não são previstos para terem um ajuste da tensão DC de offset de entrada.

Nos circuitos em que isso causar problemas, acoplamento capacitivo é usado tanto nas entradas como nas saídas para bloquear as componentes DC do sinal e, com isso, prevenir que elas influam no sinal amplificado.

Na figura 4 temos dois métodos de acoplamento capacitivo, sendo um de entrada simples e outro diferencial.

 

   Figura 4 – Acoplamentos capacitivos
Figura 4 – Acoplamentos capacitivos

 

 

PRECAUÇÕES COM O CABEAMENTO

O layout de um amplificador de vídeo é muito importante para seu bom desempenho.

Todas as ligações devem ser bem curtas.

Quando utilizar placa de circuito impresso, as trilhas devem ser largas e as mais curtas possíveis.

Isso ajuda a fornecer uma baixa resistência e baixa indutância para as ligações e o acoplamento entre o sinal de saída e de entrada é minimizado.

O aterramento, entretanto, é a precaução mais importante.

Como em todos os circuitos de altas frequências, um plano de terra e boas técnicas de aterramento devem ser usadas.

Todas as áreas não usadas da placa de circuito impresso devem ser ligadas à terra.

Uma boa terra fornece um retorno comum de baixa resistência e baixa indutância para todos os sinais.

Este plano também evita a captação de sinais externos.

Em cada terminal de alimentação deve ser ligado um capacitor de passagem à terra, tão próximo quanto seja possível do pino do integrado.

Normalmente é usado um capacitor de 100 nF.

Nos circuitos de frequências muito altas e que possuam alto ganho, a combinação de um capacitor de 1uF, de tântalo, em paralelo com um capacitor de 470 pF, de cerâmica, é recomendável.

Um único ponto de aterramento deve ser usado nos casos de conexões ponto a ponto, ou quando não se dispõe de um plano geral de terra.

O retorno para o sinal de entrada, o retorno do sinal de carga e o comum da fonte de alimentação devem ser ligados todos ao mesmo ponto.

Com isso, são eliminados elos de realimentação ou trajetos comuns de corrente, que poderão ser responsáveis por modulações ou realimentações indesejáveis.

Quando projetando amplificadores de vídeo, resistores de 50 a 100 ohms devem ser usados para as terminações de entrada.

Os resistores nesta faixa aumentam a performance do circuito peia redução dos efeitos da capacitância de entrada e pelas correntes de ruído na saída.

 

PRÉ-AMPLIFICADOR PARA OSCILOSCÓPIO/FREQUENCÍMETRO

Um circuito contendo um simples NE592A como único componente ativo pode ser usado para aumentar a sensibilidade de um osciloscópio simples ou de um frequencímetro (figura 5).

 

   Figura 5 – Amplificador para osciloscópio/frequencímetro
Figura 5 – Amplificador para osciloscópio/frequencímetro

 

O circuito sugerido fornece um ganho de tensão de 20 x 1dB na faixa de 500 kHz a 50 MHz.

A resposta de baixa frequência do amplificador pode ser estendida pelo acréscimo de um capacitor de 50 nF ligado em série com o terminal de entrada. Este circuito apresenta um nível de ruído de entrada de aproximadamente 10 uV na faixa de15,7 MHz.

O ganho pode ser calibrado pelo ajuste do potenciômetro, conectado entre os pinos 4 e 11 (terminais de ajuste de ganho).

Estes pinos têm acesso direto aos dois emissores dos dois transistores NPN de entrada do amplificador diferencial.

O potenciômetro de 1 k (tipo cermet) pode ser ajustado para um ganho de tensão de exatamente 10 vezes.

Isso permite manter o fator de escala do instrumento.

As precauções usuais para a montagem são ligações curtas e uma ampla área para o terra, de modo a garantir baixa resistência e baixa indutância.

Isso garante uma boa resposta nas altas freqüências.

Uma montagem A compacta pode ser obtida com a utilização de um “U“ de cobre ou latão.

 

APLICAÇÕES DO NE592.COMO FILTRO

O NE592 é um amplificador de vídeo de duas etapas com saída diferencial.

Ele apresenta um ganho de tensão de 0 a 400, que pode ser ajustado por meio de um resistor externo.

A etapa de entrada é projetada de tal forma que, pela utilização de poucos elementos externos de reação, entre os terminais de seleção de ganho (pinos 4 e 11), o circuito poderá funcionar como filtro passa-altas, passa-baixas ou passa-faixas

Esta possibilidade torna o circuito ideal para ser usado como amplificador de vídeo ou pulsos em equipamentos de comunicações, memórias magnéticas, sistemas de gravação de vídeo entre outras.

Na figura 6 temos o circuito básico do filtro.

 

   Figura 6 – Circuito básico de filtro
Figura 6 – Circuito básico de filtro

 

Este circuito apresenta uma impedância de entrada e saída de 50 ohms e utiliza uma fonte simétrica de 6 V.

A saída de 50 ohms permite o interfaceamento com um analisador de espectro.

Na figura 7 temos cinco elementos de reação e as curvas apresentadas, obtidas a partir de fotos de um analisador de espectro.

 

  Figura 7 – Curvas obtidas
Figura 7 – Curvas obtidas

 

Cada elemento de reação é conectado entre os pinos 4 e 11 do integrado.

As condições de cada circuito e os valores paramétricos também são dados na mesma figura.

 

MODULADOR BALANCEADO COM O MC1445

Na figura 8 mostramos um modulador balanceado, montado em torno de um circuito integrado MC1445.

 

   Figura 8 – Modulador balanceado
Figura 8 – Modulador balanceado

 

Os amplificadores diferenciais internos são conectados de maneira a cruzar os coletores dos transistores, conforme mostra a figura 9.

 

   Figura 9 – Conexões dos amplificadores
Figura 9 – Conexões dos amplificadores

 

Quando o nível da portadora atinge um valor que comuta o par diferencial acoplado em cruz, o sinal de modulação (que é aplicado à comporta, será comutado na mesma velocidade da portadora, entre as cargas de coletor.

Quando a comutação ocorre, resulta numa multiplicação da modulação por uma função simétrica.

Se a comporta permanecer na região linear, somente a primeira harmônica estará presente.

Para conseguir uma boa supressão de harmônicas na entrada de modulação, o nível de entrada deve permanecer na região linear da comporta.

Para balancear o modulador com o MC1445, ganhos iguais devem ser alcançados nos dois canais.

Na figura 10 (a característica composta dos depois canais) o ponto de ganhos iguais está em 1,3V.

 

   Figura 10 – Característica dos dois canais
Figura 10 – Característica dos dois canais

 

O ponto médio da região linear do canal B é 1,2 V.

Para manter-se na região linear, a modulação não deve superar 200 mV pico-a-pico, aproximadamente.

Como o ponto de polarização de comporta é sensível ao total de supressão da portadora, uma boa resolução é necessária no ajuste.

Assim, um potenciômetro multivoltas é recomendado para se fazer o ajuste.

Na figura 11 o sinal superior mostra uma portadora de 1MHz sendo modulada por um sinal de 1 kHz.

 

   Figura 11 – Visualização dos sinais
Figura 11 – Visualização dos sinais

 

A saída é de 750 mV pico-a-pico.

O traço de baixo mostra um sinal modulador de 600 mV x 1 kHz (pico-a-pico).

Quando funcionando, sob estas condições, uma rejeição de portadora de 38 dB pode ser obtida.

 

CHAVE POR DESLOCAMENTO DE FREQUENCIA (FSK)

Para se obter esta configuração, o sinal é aplicado a cada um dos amplificadores diferenciais.

Quando a tensão de comporta mudar de um extremo a outro, a saída deverá ser comutada alternadamente entre os dois sinais de entrada (figura 12).

 

   Figura 12 – Circuito FSK
Figura 12 – Circuito FSK

 

Quando o nível de comporta for alto (1,5 V), o sinal aplicado entre os pinos 5 e 6 (canal A) passa e o sinal aplicado entre os pinos 3 e 4 (canal B) é suprimido.

A situação inversa ocorre quando a comporta está no nível baixo.

Com 0,5V, o sinal aplicado entre os pinos 3 e 4 (canal B) passará.

O sinal não selecionado terá um ganho unitário ou menor.

Desta forma, uma conversão binário-frequência pode ser obtida diretamente.

A figura 13 mostra as formas de onda para este circuito.

 

   Figura 13 – Formas de onda no circuito FSK
Figura 13 – Formas de onda no circuito FSK

 

O traço de cima ilustra um sinal de 20 kHz aplicado ao canal A e um sinal de 4 kHz aplicado ao canal B.

O sinal de baixo ilustra um sinal de controle de 1 kHz aplicado ao pino 2.

O osciloscópio é gatilhado por este sinal de controle na obtenção das formas de onda.

Ref. Linear and Interface Circuits Applications Texas Instruments - 1985.

 

 


Opinião

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Nosso grande destaque deste mês é o nossa Jornada do Desenvolvimento, que ocorrerá em três etapas sendo a primeira a que foi realizada entre 9 e 13 de agosto. Ela foi uma preparação para as demais que devem ocorrer em setembro e outubro, com oficinas de desenvolvimento com o Edukit SigFox e a Franzininho, numa jornada com os próprios criadores.

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