Layout de Amplificadores Operacionais de Precisão (ART678)

Na edição de Maio de 2009, baseados em documento técnico da Microchip (www.microchip.com), descrevemos técnicas de layout de amplificadores operacionais de precisão, onde problemas térmicos podem gerar tensões capazes de influir no desempenho do circuito. Naquela ocasião, dada a extensão do assunto, não abordamos todo o conteúdo do documento, o qual, segundo prometemos, ficaria para uma edição posterior, e justamente agora é esta oportunidade. Nesta revisão de 2012 pouco temos a acrescentar. Podemos, por exemplo, indicar diversos artigos sobre o assunto que são mais recentes.

Na edição em que demos uma parte dos circuitos e seus problemas críticos de layout, paramos numa configuração de amplificador operacional não inversora, mostrando como os resistores deveriam ser dispostos para minimizar os problemas de geração de tensões pelo aquecimento (efeito Seebeck ou efeito termoelétrico). O circuito seguinte a ser analisado é de um amplificador inversor, onde temos três resistores SMD no circuito. Este circuito é mostrado na figura 1.

Figura 1 - Amplificador inversor.

A disposição de componentes sugerida para este circuito é a mostrada na figura 2. Como os componentes utilizados são os mesmos de um amplificador não inversor, a disposição dos resistores é a mesma.

Figura 2 - Disposição de componentes para um circuito inversor.

Para o amplificador de diferença de tensões, como o mostrado na figura 3, cuidados semelhantes devem ser tomados, para que a tensão gerada nos terminais dos componentes não afete a precisão do circuito.

Figura 3 - Amplificador diferença, utilizando 4 resistores.

O layout para os componentes deste circuito é mostrado na figura 4.

Figura 4 - Layout e circuito térmico equivalente.

Observe que a disposição sugerida para os componentes faz com que as tensões térmicas geradas (Vth) estejam em oposição, cancelando-se.

Uma configuração bastante crítica quanto aos efeitos de tensões geradas pelas variações térmicas é a de amplificadores de instrumentação, onde o ganho normalmente atinge valores muito altos. Um amplificador deste tipo é mostrado na figura 5. A disposição mostrada na figura não é recomendada.O motivo é que numa placa de circuito impresso, fica difícil conseguir um cancelamento das tensões térmicas geradas.

Figura 5 - Amplificador de instrumentação com dois amplificadores operacionais.

Uma configuração melhor é a mostrada na figura 6.

Figura 6 - Configuração melhor para um amplificador de instrumentação.

A idéia é dividir o resistor RG de modo a podermos trabalhar com a oposição das tensões que eles geram, e assim obter o cancelamento. Como fazer isso no layout da placa é mostrado na figura 7.

Nessa figura também temos o diagrama equivalente incluindo as tensões geradas nos resistores.

Figura 7 - layout para o amplificador de instrumentação com Rg separado em dois.

Modificações para Gradientes Não Constantes de Temperatura

Os gradientes de temperatura numa placa de circuito impresso, nem sempre são constantes. Os perfis de temperatura podem variar e, além disso, existem fontes puntuais de calor que podem afetar apenas uma parte de um componente do qual esteja próxima.

Diversas são as soluções para se minimizar os efeitos térmicos de fontes puntuais ou localizadas. Uma delas é manter os componentes distantes de dissipadores de calor ou componentes pequenos que trabalhem quentes.

Outra solução consiste em se escolher componentes críticos que tenham menores dimensões no sentido em que os efeitos térmicos podem ser mais acentuados, conforme mostra a figura 8.

Figura 8 - Reduzindo os efeitos térmicos com a utilização de componentes menores.

Medindo as Temperaturas Numa Placa

Existem diversas formas de se medir as temperaturas geradas em pontos críticos de uma placa de modo a se otimizar um projeto. Uma delas consiste no uso de sensores, como pares termoelétricos, sendo dado um exemplo de circuito na figura 9.

Figura 9 - Medindo temperaturas numa placa.

O circuito é baseado no sensor de temperatura MCP9700. Como este sensor drena uma corrente extremamente baixa, seu efeito sobre o calor gerado no circuito é mínimo.

Outra forma de se estudar o efeito do calor gerado numa placa é introduzindo deliberadamente gradientes de temperatura e analisar seus efeitos. Na figura 10 temos exemplo de como fazer isso com um amplificador de diferença de tensão.

Figura 10 - Amplificador de diferença de tensão deliberadamente desbalanceado termicamente.

Outro método para se obter circuitos deliberadamente desbalanceados termicamente consiste em se colocar um resistor em curto, conforme mostra a figura 11.

Figura 11 - Resistor em curto para desbalancear termicamente o circuito.

Na mesma figura temos o circuito térmico equivalente.

Conclusão

O tema ainda não se esgota com este artigo. Os leitores que dominarem o idioma inglês podem obter muito mais consultando a documentação original da Microchip. De qualquer forma, fica o alerta para aqueles que trabalharem com circuitos de precisão e precisam certificar-se de que nenhum problema de imprecisão seja causado por efeitos térmicos.