- Noções básicas de Op-Amp
- Circuito de circuito aberto Op-amp (comparadores)
- Circuito de circuito fechado Op-amp (amplificadores)
- Amplificador diferencial ou subtrator de tensão
- Como definir o ganho de um amplificador diferencial?
- Simulação do circuito amplificador diferencial
- Testando o Circuito Amplificador Diferencial no Hardware
Op-Amps foram originalmente desenvolvidos para cálculos matemáticos analógicos, desde então, eles provaram ser úteis em muitas aplicações de design. Como meu professor disse com razão, os amplificadores operacionais são calculadores aritméticos de voltagem, eles podem realizar a adição de dois valores de voltagem dados usando o circuito do amplificador somador e a diferença entre dois valores de voltagem usando um amplificador diferencial. Além disso, o Op-Amp também é comumente usado como amplificadores inversores e amplificadores não inversores.
Já aprendemos como podemos usar um amplificador operacional como um somador de voltagem ou amplificador somador, então neste tutorial aprenderemos como usar um amplificador operacional como um amplificador diferencial para encontrar a diferença de voltagem entre dois valores de voltagem. Também é chamado de Subtrator de Tensão. Também experimentaremos o circuito subtrator de tensão em uma placa de ensaio e verificaremos se o circuito está funcionando conforme o esperado.
Noções básicas de Op-Amp
Antes de mergulharmos nos op-amps diferenciais, vamos examinar rapidamente os fundamentos do Op-Amp. Um Op-Amp é um dispositivo de cinco terminais (pacote único) com dois terminais (Vs +, Vs-) para alimentar o dispositivo. Dos três terminais restantes, dois (V +, V-) são usados para sinais chamados de terminal inversor e não inversor e o terminal restante (Vout) é o terminal de saída. O símbolo básico de um Op-Amp é mostrado abaixo.
O funcionamento de um Op-Amp é muito simples, ele pega a tensão diferente de dois pinos (V +, V-), amplifica-a por um valor de Ganho e dá-a como tensão de saída (Vout). O ganho de um Op-Amp pode ser muito alto, tornando-o adequado para aplicações de áudio. Lembre-se sempre de que a tensão de entrada do Op-Amp deve ser menor que a tensão de operação. Para aprender mais sobre op-amp, verifique sua aplicação em vários circuitos baseados em op-amp.
Para um Amp Op ideal, a impedância de entrada será muito alta, ou seja, nenhuma corrente fluirá para dentro ou para fora do Amp Op através dos pinos de entrada (V +, V-). Para entender o funcionamento do op-amp, podemos categorizar amplamente os circuitos do op-amp como malha aberta e malha fechada.
Circuito de circuito aberto Op-amp (comparadores)
Em um circuito amplificador operacional de malha aberta, o pino de saída (Vout) não está conectado a nenhum dos pinos de entrada, ou seja, nenhum feedback é fornecido. Em tais condições de malha aberta, o op-amp funciona como um comparador. Um comparador simples de op-amp é mostrado abaixo. Observe que o pino Vout não está conectado aos pinos de entrada V1 ou V2.
Nesta condição, se a tensão fornecida a V1 for maior que V2, a saída Vout ficará alta. Da mesma forma, se as tensões fornecidas a V2 forem maiores que V1, a saída Vout será baixa.
Circuito de circuito fechado Op-amp (amplificadores)
Em um circuito de amplificador operacional de malha fechada, o pino de saída do amplificador operacional é conectado a qualquer um dos pinos de entrada para fornecer um feedback. Este feedback é chamado de conexão de loop fechado. Durante o loop fechado, um amplificador Op funciona como um amplificador, é durante este modo que um amplificador operacional encontra muitas aplicações úteis, como buffer, seguidor de tensão, amplificador inversor, amplificador não inversor, amplificador somador, amplificador diferencial, subtrator de tensão etc. o pino Vout é conectado ao terminal de inversão e é chamado de circuito de feedback negativo (mostrado abaixo) e se conectado ao terminal de não inversão é chamado de circuito de feedback positivo.
Amplificador diferencial ou subtrator de tensão
Agora, vamos entrar em nosso tópico, Amplificador diferencial. Um amplificador diferencial basicamente obtém dois valores de tensão, encontra a diferença entre esses dois valores e a amplifica. A tensão resultante pode ser obtida do pino de saída. Um circuito amplificador diferencial básico é mostrado abaixo.
Mas espere !, não é isso que um Op-Amp faz por padrão, mesmo quando não tem feedback, ele pega duas entradas e fornece suas diferenças no pino de saída. Então, por que precisamos de todos esses resistores sofisticados?
Bem, sim, mas o op-amp quando usado em malha aberta (sem feedback) terá um ganho não controlado muito alto que é praticamente inútil. Portanto, usamos o projeto acima para definir o valor de ganho usando resistores em um loop de feedback negativo. Em nosso circuito acima, o resistor R3 atua como um resistor de feedback negativo e os resistores R2 e R4 formam um divisor de potencial. O valor do ganho pode ser definido usando o valor correto dos resistores.
Como definir o ganho de um amplificador diferencial?
A tensão de saída do amplificador diferencial mostrado acima pode ser dada pela fórmula abaixo
Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)
A fórmula acima foi obtida a partir da função de transferência do circuito acima usando o teorema da superposição. Mas não vamos entrar muito nisso. Podemos simplificar ainda mais a equação acima considerando R1 = R2 e R3 = R4. Então vamos conseguir
Vout = (R3 / R1) (V2-V1) quando R1 = R2 e R3 = R4
A partir da fórmula acima, podemos concluir que a razão entre R3 e R1 será igual ao ganho do amplificador.
Ganho = R3 / R1
Agora, vamos substituir os valores dos resistores para o circuito acima e verificar se o circuito está funcionando conforme o esperado.
Simulação do circuito amplificador diferencial
O valor do resistor que escolhi é 10k para R1 e R2 e 22k para R3 e R4. A simulação do circuito para o mesmo é mostrada abaixo.
Para fins de simulação, forneci 4 V para V2 e 3,6 V para V1. O resistor 22k e 10k de acordo com as fórmulas definirá um ganho de 2,2 (22/10). Portanto, a subtração será de 0,4 V (4-3,6) e será multiplicada pelo valor de ganho de 2,2, de forma que a tensão resultante será de 0,88 V conforme mostrado na simulação acima. Vamos também verificar o mesmo usando a fórmula que discutimos anteriormente.
Vout = (R3 / R1) (V2-V1) quando R1 = R2 e R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2,2) x (0,4) = 0,88v
Testando o Circuito Amplificador Diferencial no Hardware
Agora, para a parte divertida, vamos construir o mesmo circuito na placa de ensaio e verificar se conseguimos alcançar os mesmos resultados. Estou usando o LM324 Op-Amp para construir o circuito e o módulo de fonte de alimentação da placa de ensaio que construímos anteriormente. Este módulo pode fornecer saída de 5 V e 3,3 V, então estou usando o barramento de alimentação de 5 V para alimentar meu amplificador operacional e o barramento de alimentação de 3,3 V como V1. Então usei meu RPS (fonte de alimentação regulada) para fornecer 3,7 V ao pino V2. A diferença entre as tensões é de 0,4 e temos um ganho de 2,2 que deve nos dar 0,88V e foi exatamente isso que obtive. A imagem abaixo mostra o setup e o multímetro com a leitura de 0,88V.
Isso prova que nosso entendimento de amplificador operacional diferencial está correto e agora sabemos como projetar um por conta própria com o valor de ganho necessário. O trabalho completo também pode ser encontrado no vídeo abaixo. Esses circuitos são usados com mais frequência em aplicações de controle de volume.
Mas, como o circuito tem resistores no lado da tensão de entrada (V1 e V2), ele não fornece uma impedância de entrada muito alta e também tem um alto ganho de modo comum que leva a uma relação CMRR baixa. Para superar essas desvantagens, existe uma versão improvisada de amplificador diferencial chamado amplificador de instrumentação, mas vamos deixar isso para outro tutorial.
Espero que você tenha entendido o tutorial e gostado de aprender sobre amplificadores diferenciais. Se você tiver alguma dúvida, deixe-a na seção de comentários ou use os fóruns para perguntas mais técnicas e respostas mais rápidas.