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2.7 - Amplificadores
2.7.1 - Amplificadores operacionais
O amplificador operacional 741 é um dos circuitos integrados clássicos da eletrônica. Ele é o amplificador operacional genérico com o qual todos os outros são comparados. Faremos uma descrição sumária de suas propriedades e dos circuitos básicos mais comuns que o utilizam. O 741 exige uma fonte de alimentação simétrica e seu funcionamento pode ser resumido da seguinte forma: Uma tensão aplicada à entrada não inversora (+) é subtraída da tensão aplicada à entrada inversora (-) e a diferença é amplificada cerca de 100.000 vezes, ou seja, o 741 tem um "ganho" de cerca de 100.000. Ele possui uma impedância de entrada muito alta, cerca de 2MΩ (dois milhões de ohms), e uma impedância de saída baixa (cerca de 75Ω). Isto significa que o 741 coloca o sinal amplificado na sua saída quase sem consumir corrente na entrada. A sua saída, apesar da baixa impedância, está limitada a uma pequena corrente, cerca de 20mA. O 741 utilizado com ganho total (100.000), somente tem aplicação como comparador de tensão (figuras 2.7.2 e 2.7.3). Neste caso, uma pequena diferença de tensão entre as entradas (+) e (-) é amplificada 100.000 vezes, levando a tensão de saída a um valor próximo da tensão de alimentação positiva ou negativa, dependendo do sinal da diferença e da configuração do circuito como inversor ou não inversor. Utilizando dois resistores, os amplificadores operacionais podem ser levados a ter um ganho programado. Os dois resistores fazem parte de um circuito de realimentação negativa, onde parte do sinal de saída é levado à entrada, compensando o excesso de amplificação e "travando" o amplificador em um determinado ganho. Os circuitos amplificadores podem ser inversores ou não- inversores. Os inversores amplificam a tensão, mas sua saída tem polaridade oposta à do sinal de entrada. Os não inversores amplificam a tensão sem alterar sua polaridade. O amplificador inversor é apresentado na figura 2.7.4 e o fator de amplificação é dado pela fórmula:
Ganho =−
R
R
Figura 2.7.2 - Comparador de tensão não- inversor. Figura 2.7.3 - Comparador de tensão inversor Figura 2.7.1 - Pinos do 741
offset offset +V -V inversora (-) não invers. (+) (^) saída
Vent Vsai +V -V 0V Vent +V 0V -V Vsai
Vent (^) Vsai
Vent - Vsai +V -V 0V Vent +V 0V -V Vsai
Vent Vsai
O amplificador não inversor é apresentado na figura 2.7.5, e seu ganho é:
Ganho = 1
R
R
A impedância de entrada no circuito amplificador inversor é determinada pelo resistor R1. Ou seja: se este resistor for de 10kΩ, esta será a impedância de entrada do amplificador. Já no circuito não inversor, a impedância de entrada é a própria alta impedância do amplificador operacional. A amplificação também pode ser programada para ser igual a 1 , usando o circuito da figura 2.7.6. Neste caso, o amplificador operacional funciona apenas como um reforçador de sinal que, devido à sua alta impedância de entrada, faz uma espécie de isolamento do circuito. Este tipo de circuito é chamado de buffer e permite "copiar" uma tensão sem interferir no respectivo circuito, particularmente se o amplificador operacional tiver a altíssima impedância de entrada da tecnologia mosfet, como o CA3140, descrito mais adiante. A versão inversora do buffer descrito acima, mostrada na figura 2.7.7, simplesmente inverte o sinal da tensão de entrada. Neste caso, como no amplificador não inversor, a impedância de Figura 2.7.4 - Amplificador inversor. Figura 2.7.5 - Amplificador não inversor. Vent 0V Vent 0V Vsai
Vent (^) Vsai
Vsai +V -V R R Vsai = 1 + R2R1 x Vent R1 R Figura 2.7.6 - Buffer não inversor. Figura 2.7.7 - Buffer inversor com impedância de 15kΩ. Vent 0V Vent 0V Vsai
Vent (^) Vsai
Vsai +V -V R R Vsai = R2 R1 x Vent negativo! R R determina a impedância Vent
Vsai = -Vent +V -V 15k 15k Vent (^) +
Vsai=Vent +V -V
2.7.2 - Amplificadores de áudio LM O LM386 é um amplificador de áudio completo de 0,325W em um chip. Sua utilização mais comum é a apresentada na figura 2.7.8. O seu ganho é fixado em 20. Ou seja, o sinal na saída é, em volts, vinte vezes maior que na entrada. Este ganho pode ser aumentado para 200 com a adição de um capacitor eletrolítico ao circuito, ou para qualquer valor entre 20 e 200 com a adição de um capacitor eletrolítico e um resistor. O LM386 não se comporta como um amplificador operacional comum. Além de multiplicar a tensão de entrada por 20 (ou mais), ele soma aproximadamente a metade da tensão de alimentação a este sinal. Ou seja, traz todas estas variações para a faixa de tensões entre zero e a tensão positiva de alimentação, dispensando o uso de fontes simétricas. Quando não existe nenhuma tensão na entrada, a tensão na saída será um valor aproximadamente igual a metade da tensão de alimentação. Esta é a "tensão base". Um sinal positivo (em relação ao terra) aplicado à entrada será multiplicado por 20 e somado à tensão base. Um sinal negativo (em relação ao terra) aplicado à entrada será multiplicado por vinte e subtraído da tensão base. Figura 2.7. O resultado é que a tensão de entrada pode flutuar entre sinais positivos e negativos, como é o caso da maioria dos sinais vindos dos transdutores de áudio. Mas a saída será sempre positiva em relação ao terra. Isto explica o uso do capacitor na saída do circuito da figura 2.7.8. Se não houvesse este capacitor, o alto falante ficaria submetido a uma tensão positiva, mesmo quando não houvesse sinal na entrada. Na montagem mais simples possível com o LM386, com ganho de 20, o amplificador é capaz de transferir os sons captados por um alto-falante para outro ligado à sua saída, mas a amplificação é pequena demais para a maioria das aplicações de áudio. Entretanto, se a entrada for um sinal já pré-amplificado, como a saída de um aparelho MP3, o som será bem audível, limitado ao 1/3 de watt do LM386. O volume pode ser controlado colocando um potenciômetro na entrada, como mostra a figura 2.7. T erra +V
- V alimentação V alimentação/2 (aprox.) terra (0V)^ si nal^ terra (0V) sinal x 20 entrada saída o LM 1 2 3 4 5 6 7 8 Figura 2.7. Figura 2.7. Figura 2.7. Terra+V
- 220uF - 25V 10uF - 25V 10uF - 25V
+9V 1 (^85) 7 4 3 2 6 220uF 10uF 10uF
Terra+V
+9V 5 (^34) (^2 6) 220uF
Terra+V
+9V 5 (^34) (^2 ) entrada de áudio 220uF
+9V 5 (^34) (^2 ) entrada de áudio 220uF volume
Colocando um capacitor de cerca de 10μF entre os pinos 1 e 8 (figura 2.7.11), o ganho passa para 200, o que já permite que o som captado por um alto falante ligado à entrada possa ser claramente escutado em outro ligado à sua saída. Para ganhos intermediários entre 20 e 200, acrescenta-se, entre os pinos 1 e 8, um resistor RX em série com o capacitor de 10μF (figura 2.7.12). A tabela a seguir apresenta valores aproximados dos ganhos para seis valores comerciais de resistores: TDA2002 e TDA Estes circuitos integrados de 5 pinos são amplificadores de áudio completos de 8W (TDA2002) e 10W (TDA2003). O circuito básico a ser usado é o apresentado na figura 2.7.14, que também apresenta a montagem pelo método das ilhas coladas. O ganho é determinado pela relação entre os dois resistores que, no caso da figura, é de 100 (220/2,2). Existem diversos outros componentes que modificam ou melhoram a performance do TDA200X, o mais simples deles é um capacitor de 0,1mF colocado em paralelo com a alimentação, como mostra a figura. Os datasheet destes integrados apresentam circuitos completos aperfeiçoados, inclusive com leiaute de placa de circuito impresso. Valor do resistor RX: 175 150 130 105 75 55 Ganho aprox.: 22 Ω 56 Ω 82 Ω 150 Ω 330 Ω 560 Ω Figura 2.7. terra Vcc (8 a 18V) saída entr. inversora entr. ñ inversora Figura 2.7. Terra+V
- 220uF - 25V 10uF - 25V 10uF - 25V
+9V (^1 ) 5 7 4 3 (^2 6) 220uF 10uF RX 10uF
Figura 2.7.
(^1) + (^4) 2 1000uF
3 470uF
10uF
- 5 220 2, +Vcc (8 a 18V) *ver texto entrada 10uF - 25V 470uF - 25V entrada +Vcc terra
