Circuito Diferenciador de Amp Op, Amplificador Operacional
É fácil projetar um diferenciador usando um circuito de amplificador operacional que forneça uma implementação analógica precisa dessa função.
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Tutorial de Amplificador Operacional Inclui:
Introdução | Resumo de Circuitos | Amplificador Inversor | Amplificador Somador | Amplificador Não-inversor | Amplificador de Ganho Variável | Filtro Ativo Passa-Alta | Filtro Ativo Passa-Baixa | Filtro Passa-Banda | Filtro Notch | Comparador | Gatilho de Schmitt | Multivibrador | Bistável | Integrador | Diferenciador | Oscilador Wien Bridge | Oscilador de Deslocamento de Fase
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O circuito de amplificador operacional para um diferenciador é aquele que tem sido usado na computação analógica por muitos anos. Embora circuitos diferenciadores analógicos usando amplificadores diferenciais feitos com componentes eletrônicos discretos tenham sido usados por muitos anos, a introdução do circuito integrado de amplificador operacional revolucionou o processo de projeto de circuitos eletrônicos.
O nível de ganho muito alto do amplificador operacional significa que ele pode fornecer um nível de desempenho muito alto – muito melhor do que o que poderia ser obtido usando componentes eletrônicos discretos.
Uma das aplicações para circuitos diferenciadores analógicos é para transformar diferentes tipos de forma de onda, conforme mostrado abaixo.
NOÇÕES BÁSICAS DE DIFERENCIAIS DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS
Um circuito diferenciador é aquele em que a tensão de saída é diretamente proporcional à taxa de variação da tensão de entrada em relação ao tempo.
Isso significa que uma mudança rápida no sinal de tensão de entrada, maior a mudança de tensão de saída em resposta.
Como um circuito diferenciador tem uma saída proporcional à mudança de entrada, algumas das formas de onda padrão, como ondas senoidais, ondas quadradas e ondas triangulares, fornecem formas de onda muito diferentes na saída do circuito diferenciador.
Para essas formas de onda, pode-se ver que quanto maior a taxa de mudança da forma de onda na entrada, maior a tensão de saída naquele ponto. De fato, para a entrada de onda quadrada, apenas picos muito curtos devem ser vistos. Os picos serão limitados pela inclinação das bordas da forma de onda de entrada e também pela saída máxima do circuito e sua taxa de variação e largura de banda. Os picos também devem decair rapidamente. Novamente, isso pode ser limitado pelo circuito e, no diagrama, o decaimento não é mostrado como infinitamente rápido, representando melhor como uma forma de onda da vida real pode parecer.
A entrada de onda triangular se transforma em uma onda quadrada de acordo com os níveis ascendentes e descendentes da forma de onda de entrada.
A onda senoidal é convertida em uma forma de onda cosseno – dando 90° de deslocamento de fase do sinal. Isso pode ser útil em algumas circunstâncias.
CIRCUITO DIFERENCIADOR DE AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Pode-se ver que o circuito do amplificador operacional para um integrador é muito semelhante ao do diferenciador. A diferença é que as posições do capacitor e do indutor são alteradas.
Em sua forma básica, o centro do circuito é baseado no próprio amplificador operacional. Além disso, alguns outros componentes eletrônicos são necessários: um capacitor é conectado da entrada de todo o circuito à entrada inversora do amplificador operacional. Um resistor de feedback é então usado para fornecer o feedback negativo ao redor do chip do amplificador operacional – ele é conectado da saída do amplificador operacional à sua entrada inversora. A entrada não inversora é conectada ao terra.
Ao contrário do circuito integrador, o diferenciador do amplificador operacional possui um resistor na realimentação da saída para a entrada inversora. Isso lhe dá estabilidade DC – um fator importante em muitas aplicações.
EQUAÇÕES DE PROJETO DE CIRCUITOS ELETRÔNICOS
Para desenvolver os valores dos componentes eletrônicos para o circuito diferenciador, é necessário determinar o desempenho necessário.
A saída de tensão para o diferenciador do amplificador operacional pode ser determinada a partir da relação abaixo:
Onde:
Vout = tensão de saída do diferenciador do amplificador operacional
Vin = tensão de entrada
t = tempo em segundos
R = valor do resistor no diferenciador em Ω
C = capacitância do capacitor do diferenciador em Farads
dVin/dt = taxa de variação da tensão com o tempo.
Como mencionado, os diferenciadores têm problemas com ruídos e, às vezes, instabilidades em altas frequências como resultado do ganho e também das mudanças de fase internas dentro do amplificador operacional.
Esses problemas podem ser superados adicionando um pouco de HF roll off. Apenas dois componentes eletrônicos adicionais são necessários para conseguir isso.
A escolha dos componentes eletrônicos: o capacitor C2 e o resistor R2 dependem muito das condições – o nível de ruído e a largura de banda do diferenciador necessária. Os valores maiores dos componentes eletrônicos proporcionam maior estabilidade e redução de ruído ao custo da largura de banda.
O valor de R2 pode ser calculado a partir da equação:
Embora nem sempre incluído, o capacitor C2 pode ser adicionado para maior redução de ruído. Um valor inicial adequado para isso pode ser estimado a partir da equação abaixo.
Com os componentes eletrônicos adicionais, C2 e R2, o circuito passa a se tornar um integrador em altas frequências (f » 1 / 2 π R1 C1 ). Isso ocorre como resultado do nivelamento do feedback e da compensação geral dentro do próprio amplificador operacional.
CONSIDERAÇÕES DE DESIGN DO DIFERENCIADOR DE AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Há uma série de considerações de projeto de circuito eletrônico que precisam ser levadas em consideração ao usar um circuito diferenciador de amplificador operacional.
- Lembre-se de que a saída aumenta com a frequência: uma das principais facetas de ter um capacitor em série é que ele tem uma resposta de frequência aumentada em frequências mais altas. A saída do diferenciador aumenta linearmente com a frequência, embora em algum estágio as limitações do amplificador operacional signifiquem que isso não é bom.Consequentemente, podem ser necessárias precauções para levar em conta isso durante o projeto do circuito eletrônico e o processo de construção. O circuito, por exemplo, será muito suscetível a ruídos de alta frequência, pickups dispersos, etc. O circuito e sua entrada em particular devem ser protegidos de pickups dispersos, caso contrário isso pode atrapalhar sua operação.
- Limites de valor dos componentes eletrônicos: É sempre melhor manter os valores dos componentes eletrônicos, ou seja, o capacitor e principalmente o resistor dentro dos limites sensíveis. Muitas vezes, os valores inferiores a 100kΩ para o resistor são os melhores. Desta forma, a impedância de entrada do amplificador operacional não deve afetar a operação do circuito.
FORMULÁRIOS
O circuito diferenciador tem muitas aplicações em diversas áreas do projeto eletrônico. O diferenciador de amplificador operacional é particularmente fácil de usar e, portanto, é possivelmente uma das versões mais usadas.
Obviamente, o circuito é usado em computadores analógicos, onde é capaz de fornecer uma manipulação de diferenciação na tensão analógica de entrada.
Possivelmente, o circuito diferenciador é usado mais amplamente na instrumentação de processo. Aqui ele pode ser usado para monitorar a taxa de mudança de vários pontos. Se o dispositivo de medição retornar uma taxa de mudança maior que um determinado valor, isso fornecerá uma tensão de saída acima de um determinado limite e isso pode ser medido usando um comparador e usado para definir uma indicação de alarme ou aviso.
Na verdade, existem muitas aplicações de condicionamento de sinal em que um diferenciador pode ser necessário. Das várias opções abertas ao projetista de circuitos eletrônicos, geralmente a solução de amplificador operacional é a mais atraente, exigindo poucos componentes e ainda oferecendo um excelente nível de desempenho.
O circuito de amplificador operacional para um diferenciador tem sido usado em muitas aplicações de computador analógico, no entanto, também é usado em transformações de formas de onda onde os sinais precisam ser processados. O ganho do circuito do amplificador operacional significa que a transformação é quase perfeita, embora o ruído possa ser um problema e, por esse motivo, esses circuitos podem não ser tão amplamente utilizados quanto poderiam.
Usando apenas alguns componentes eletrônicos e algumas equações simples de projeto de circuito eletrônico, esses circuitos de amplificador operacional são fáceis de implementar.
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