Este artigo visa demonstrar como se determina o ganho de tensão de um circuito amplificador através da análise teórica, simulação no software ISIS Proteus e finalmente, verificando-se na prática se o circuito atenderá às especificações prévias.
1 – Introdução
Para aplicações práticas em que se deseja amplificar um sinal de tensão presente na saída de algum sensor, por exemplo, amplificadores de tensão podem ser empregados como interface, visto que os sinais de muitos sensores são obtidos em grandezas na ordem de mili volts. O circuito amplificador utilizado neste experimento não é nenhuma novidade, pois consiste em um circuito com amplificador operacional, utilizando-se a topologia não inversora. Tem-se, portanto, um circuito linear, onde obtém-se na saída um sinal de tensão proporcional ao aplicado na entrada.
Necessitando-se de um ganho de tensão específico para determinada aplicação prática, mostraremos a seguir como obter o valor dos componentes externos necessários, bem como da tensão de alimentação do circuito para este ganho. O leitor, de posse deste conhecimento, poderá projetar o circuito com o ganho que quiser.
Iniciaremos com a análise teórica da topologia e cálculo dos componentes. Após, com auxílio do simulador ISIS Proteus, irá se verificar o funcionamento dinâmico do circuito. Finalmente, a montagem prática do amplificador de tensão observando-se o ganho do mesmo no osciloscópio.
2 – Análise Teórica
A topologia típica de um circuito amplificador não inversor com operacional pode ser vista na Figura 01.
Para o circuito da Figura 01, topologia que será utilizada neste experimento, a equação que define o ganho Go de tensão é dada por:
Go = R1 /R2 + 1
Onde:
- Go é o ganho de tensão em ;
- R1 é o resistor 1 do diagrama da Figura 01 em ohms (Ω);
- R2 é o resistor 2 do diagrama da Figura 01 em ohms (Ω).
Como a ideia do artigo é partir de um ganho estabelecido pelo projetista, deve-se isolar um dos resistores na equação acima. Assim pode-se arbitrar o valor do outro resistor e, conhecendo-se o ganho, calcula-se o valor do resistor que foi isolado. Vamos isolar R2 na equação:
Go-1=R1/R2
R2=R1/Go-1
Agora que temos uma equação para o cálculo de R2, podemos partir para o diagrama esquemático utilizado no projeto. Primeiramente, optou-se por utilizar o amplificador operacional uA741, utilizado frequentemente em projetos e sem dúvida, o dispositivo mais popular da categoria. Observando-se o datasheet do uA741, verifica-se que o mesmo pode ser alimentado com tensão simétrica de até ±22V. Vamos utilizar fonte de ±12V para este circuito. Este dado é relevante principalmente pelo fato de que o circuito não irá excursionar uma tensão de saída superior à sua alimentação, significa que um sinal aplicado, cujo o ganho exceda a tensão de alimentação vai saturar a saída do circuito.
O ganho de tensão escolhido terá o valor de 5,5 (podem ser outros valores) e arbitra-se o valor comercial de 10kΩ para R1. Para o valor de ganho e resistor R1 arbitrados, calcula-se o valor de R2:
R2=100005,5-1
R2=2222,22Ω
O valor de R2 para um ganho de tensão igual a 5,5 será 2222,22Ω, entretanto não existe um resistor comercial com este valor de resistência. Utiliza-se portanto o valor comercial mais próximo, que no caso é 2,2kΩ. Então, para uma aproximação maior com a simulação no ISIS e com a montagem prática, recalcula-se o ganho para um R1 de 10kΩ e um R2 de 2,2kΩ:
Go=100002200+1=5,5454VV
Logo, com estes resistores, o ganho do circuito será de aproximadamente 5,5454V/V. O diagrama esquemático completo do circuito amplificador não inversor com uA741 é apresentado na Figura 02.
No diagrama esquemático da Figura 02, U1 é o amplificador operacional uA741 (ou LM741, ou AD741), dispositivo principal do circuito; R1 e R2 são os resistores responsáveis pelo ganho de tensão; C1 e C2 são capacitores de desacoplamento que atuam juntamente com a fonte de alimentação filtrando espúrios e tem valor típico de 100nF e P1 consiste em um trimpot (ou potenciômetro) para ajuste da tensão de offset do qual falaremos mais tarde.
3 – Simulação
O primeiro teste de funcionamento dinâmico do circuito amplificador pode ser feito com auxílio de um software simulador e, no caso, optou-se pelo uso do ISIS Proteus. Este software, que é abundantemente utilizado para simulação de circuitos digitais, bem como circuitos que utilizam microcontroladores, também pode ser empregado na simulação de circuitos analógicos, com resultados peremptoriamente satisfatórios.
Iremos verificar se o ganho de tensão ficará próximo ao calculado teoricamente. No ISIS, isto pode ser feito utilizando-se o osciloscópio do software, entretanto este procedimento será utilizado na parte prática do artigo com osciloscópio e gerador de funções, por este motivo, optou-se pela ferramenta de análise gráfica, que facilita a determinação do ganho.
Inicialmente deve-se montar o circuito da Figura 02 no Proteus, aplicando-se uma alimentação simétrica de ±12V e em sua entrada, um sinal senoidal de 1kHz e amplitude tal que a saída não apresente distorção. O circuito, montado no ISIS, pode ser observado na Figura 03.
Na entrada Vi aplica-se um sinal senoidal (Generator Mode / Sine) na frequência de 1kHz e com amplitude de 1V. Na saída Vo utiliza-se um voltímetro (Voltage Probe Mode) para que a análise gráfica possa ser realizada. As fontes de tensão são de +12V e -12V (Generator Mode / DC). A Figura 04 mostra a sequência de passos para se realizar a plotagem do gráfico de análise analógica do circuito.
Primeiro seleciona-se o botão “Graph Mode” localizado à esquerda e a opção “Analogue” [1]. Depois, com o botão esquerdo do mouse arrasta-se a área de gráfico desejada na área de trabalho do Proteus [2]. O gráfico se apresentará como mostrado no item [3]. Por último, clica-se e mantém-se com o botão esquerdo os sinais que devem ser plotados, arrastando-os com o mouse para a área do gráfico. Arraste inicialmente o gerador senoidal e por último o voltímetro (Voltage Proge Mode) localizado na saída Vo do circuito [4].
Para plotar o gráfico, clique com o botão direito do mouse na área do gráfico e clique em “Simulate Graph”. A Figura 05 exibe o gráfico plotado pelo Proteus.
Como pode-se observar no rodapé do gráfico, a saída Vo apresentou uma amplitude de 5,53V, sabendo-se que a entrada aplicada é igual a 1V, pode-se determinar o ganho do circuito apresentado pela simulação:
Go=VoVi=5,531=5,53VV
Pode-se verificar portanto, que o simulador apresentou ganho de 5,53, muito próximo ao ganho calculado teoricamente para o circuito, de 5,5454. O erro percentual é de apenas 0,27%. Chegou a hora de efetuar-se a montagem prática do circuito amplificador, verificando se o mesmo funcionará conforme previsto teoricamente.
4 – Prática
Inicialmente, monta-se o circuito da Figura 02 em protoboard. A imagem real do circuito montado em protoboard pode ser observada na Figura 06.
A priori, deve-se efetuar o ajuste da tensão de offset de nosso circuito, por este motivo, utiliza-se o trimpot de 10kΩ e aterra-se inicialmente a entrada do circuito (pino 3 do operacional). Com a entrada aterrada, significa que a saída deve apresentar exatamente zero volts, pois teremos zero volts na entrada e, 0 x 0 é igual a zero! Entretanto, o circuito não apresentará exatos zero volts na saída, visto que as tensões e correntes quiescentes produzem uma saída da ordem de mili volts, proveniente da fonte de alimentação. Daí a necessidade de um ajuste de offset no circuito real. O procedimento está ilustrado na Figura 07.
Para ajustar o offset do circuito, inicialmente conecta-se um voltímetro na saída do mesmo, e então liga-se a fonte de alimentação. Como pode-se observar na Figura 07 (à esquerda), o circuito apresenta uma tensão de offset de -13,3mV. Atua-se suavemente no trimpot até chegar a zero volts na saída do circuito, como pode ser visto à direita na Figura 07. Com o offset ajustado corretamente, pode-se partir para análise de ganho do circuito amplificador.
Conecta-se então o gerador de funções na entrada Vi, ajustado para uma frequência de aproximadamente 1kHz e amplitude tal que não ocorra distorção na saída, juntamente com o canal 1 do osciloscópio. Na saída Vo, conecta-se o canal 2 do osciloscópio (Figura 08).
Após realizar as conexões dos instrumentos, liga-se novamente a alimentação do circuito e observam-se as formas de onda exibidas nos canais 1 e 2 do osciloscópio. A captura da tela do osciloscópio, com as formas de onda pode ser vista na Figura 09.
De acordo com as formas de onda e as medidas exibidas na tela do osciloscópio digital, percebe-se que o canal 1 (entrada Vi) apresenta uma tensão pico-a-pico igual a 2,72V e o canal 2 (saída Vo), uma tensão pico-a-pico de 15,2V; pode-se portanto, calcular o ganho do circuito montado em protoboard:
Go=VoVi=15,2V2,72V=5,58VV
Obteve-se um ganho de 5,58 para o circuito montado em protoboard, bem próximo ao ganho de 5,5454 calculado teoricamente. O erro percentual é de 0,62%, um pouco mais elevado que o erro da simulação, visto que os componentes utilizados são reais e não ideais e também ocorrem pequenas divergências devido a capacitâncias parasitas, resistência dos cabos dos instrumentos, ruído térmico, entre outros.
5 – Conclusão
A ideia deste artigo foi mostrar ao leitor uma forma de projetar um amplificador de tensão com operacional, para determinada aplicação prática, comparando resultados obtidos nos cálculos teóricos, simulação do circuito no ISIS Proteus e montagem do circuito real. O circuito pode ser utilizado como interface para um sensor que apresenta na saída determinada grandeza analógica de tensão, da ordem de mili volts, por exemplo.
