Amplificadores são circuitos eletrônicos que aumentam a intensidade de um sinal para que ele possa ser processado, medido ou transmitido de forma mais eficaz. Em sistemas analógicos, sinais provenientes de sensores, fontes de áudio ou circuitos de controle são frequentemente fracos demais para serem usados diretamente, então amplificadores são usados para aumentar níveis de tensão, melhorar a qualidade do sinal e preparar o sinal para o próximo estágio. Amplificadores operacionais, diferenciais e amplificadores de instrumentação lidam com sinais de maneiras diferentes e são usados em situações distintas. Este artigo compara esses três tipos de amplificadores, explicando como funcionam, como diferem e como escolher o certo para aplicações no mundo real.
O que é um amplificador operacional?
Um amplificador operacional, ou amplificador operacional, é um amplificador eletrônico que aumenta a diferença entre duas tensões de entrada e produz uma tensão de saída. Possui dois terminais de entrada: a entrada não inversora (+) e a entrada inversora (−). A saída muda com base na diferença de voltagem entre essas duas entradas.
Em circuitos práticos, um amplificador operacional geralmente é usado com componentes externos de realimentação, como resistores e capacitores. Essas peças controlam o ganho, estabilidade, largura de banda e comportamento geral do circuito. A ideia básica de um amplificador operacional pode ser expressa como:
Vout = Aol(V+ − V−)
onde Vout é a tensão de saída, Aol é o ganho em malha aberta, V+ é a tensão de entrada não inversora, e V− é a tensão de entrada inversora. Em aplicações reais, o ganho em malha aberta muito alto geralmente é controlado por realimentação negativa para que o circuito produza uma saída estável e previsível.
O que é um amplificador diferencial?
Um amplificador diferencial aumenta a diferença entre duas tensões de entrada e reduz sinais que aparecem igualmente em ambas as entradas. Esses sinais iguais são chamados de sinais de modo comum. Por isso, um amplificador diferencial é útil quando o sinal importante é a diferença de tensão entre dois pontos, e não apenas um sinal medido contra o terra.
Um amplificador diferencial básico possui duas entradas, frequentemente chamadas de V1 e V2, e uma saída. A saída muda com base na diferença entre as duas entradas. Se ambas as entradas sobem ou descem juntas por causa de ruído ou interferência, o amplificador tenta rejeitar esse sinal compartilhado e apenas amplifica a diferença útil.
A ideia básica pode ser expressa como:
Vout = Ad(V2 − V1)
onde Vout é a tensão de saída, Ad é o ganho diferencial, e V2 − V1 é a diferença de tensão entre os dois sinais de entrada.
O que é um amplificador de instrumentação?
Um amplificador de instrumentação é um amplificador de precisão projetado para amplificar sinais diferenciais muito pequenos enquanto rejeita ruído ou sinais indesejados que aparecem igualmente em ambas as entradas. É comumente usado quando o sinal vem de sensores, pois muitos sensores produzem mudanças de tensão fracas que precisam de amplificação precisa antes do processamento.
Um amplificador de instrumentação possui dois terminais de entrada e geralmente um terminal de saída. Como um amplificador diferencial, ele amplifica a diferença entre as duas tensões de entrada. No entanto, ele oferece maior impedância de entrada, melhor rejeição em modo comum e ganho mais estável do que um amplificador diferencial básico. Isso ajuda a evitar a carga dos sensores e melhora a precisão da medição.
A ideia básica pode ser expressa como:
Vout = G(V2 − V1)
onde Vout é a tensão de saída, G é o ganho do amplificador e V2 − V1 é a tensão diferencial de entrada.
Amplificador operacional vs amplificador diferencial vs amplificador de instrumentação
| Ponto de Comparação | Amplificador Operacional | Amplificador Diferencial | Amplificador de Instrumentação |
|---|---|---|---|
| Tipo de entrada | Pode ser usado com entrada de extremidade única ou diferencial, dependendo do projeto do circuito | Usa dois sinais de entrada e responde à diferença deles | Usa dois sinais de entrada e responde à diferença deles |
| Tipo de saída | Geralmente saída single-ended | Geralmente saída single-end, mas também existem versões totalmente diferenciais | Geralmente saída single-end, dependendo do projeto do CI |
| Equação básica | Vout = Aol(V+ − V−) | Vout = Ad(V2 − V1) | Vout = G(V2 − V1) |
| Controle de ganho | O ganho geralmente é definido por resistores de realimentação externa | O ganho é definido pelas razões dos resistores | O ganho é frequentemente definido por um resistor de ajuste de ganho |
| Impedância de entrada | Geralmente alta, dependendo do tipo e configuração do amplificador operacional | Projetos de resistores moderados a altos, mas básicos, podem carregar a fonte | Muito alta, tornando-a adequada para sensores |
| Nível de precisão | De uso geral para precisão, dependendo do amplificador operacional usado | Precisão moderada a boa | Alta precisão |
| Erro de deslocamento | Depende do amplificador operacional selecionado | Afetado pelo deslocamento do amplificador operacional e pelo desajuste do resistor | Geralmente baixo deslocamento e baixo desvio em modelos de precisão |
| Largura de banda | Faixa ampla, dependendo do amplificador operacional | Depende da rede de amplificador operacional, ganho e resistor | Frequentemente mais baixo que amplificadores operacionais gerais em ganho alto |
| Complexidade do circuito | Simples a moderado | Moderado | Moderado a alto, mas simples ao usar um CI integrado |
| Componentes externos | Resistores de realimentação e outras peças dependendo da configuração | Requer resistores precisamente combinados | Frequentemente precisa apenas de um resistor de ajuste de ganho e algumas peças de suporte |
| Sensibilidade à correspondência de resistores | Importante em circuitos de ajuste de ganho | Muito importante para ganhar precisão e CMRR | Menos difícil para usuários ao usar CIs integrados com resistor combinado |
| Melhor uso | Amplificação geral, filtragem, buffering e processamento analógico de sinais | Medindo diferenças de tensão entre dois pontos | Medição de sinal de sensor de precisão |
| Principal vantagem | Muito flexível e amplamente disponível | Rejeita sinais comuns e mede diferenças de tensão | Alta precisão, alta impedância de entrada e forte rejeição em modo comum |
| Limitação principal | Nem sempre ideal para sinais de sensores pequenos sem cuidados extra de design | A precisão depende do ajuste de resistores e da impedância de entrada | Mais especializados e podem custar mais do que circuitos básicos de amplificador operacional |
Principais fatores de desempenho do amplificador a considerar
Ajuste de ganho e precisão de ganho
A configuração de ganho explica como o ganho de saída do amplificador é controlado, enquanto a precisão do ganho indica quão próximo o ganho real está do valor esperado.
• Em um circuito de amplificador operacional, o ganho geralmente é definido por resistores de realimentação externa. Por exemplo, um amplificador operacional não inversor usa a razão do resistor ao redor do caminho de realimentação para definir o ganho. Isso torna os op-amps muito flexíveis porque o mesmo dispositivo pode ser usado para buffering, baixo ganho, alto ganho, filtragem ou condicionamento de sinal.
• Em um amplificador diferencial, o ganho também depende das razões dos resistores, mas o ajuste de resistores torna-se mais crítico. Se as razões dos resistores não forem bem ajustadas, o amplificador pode causar erro de ganho e rejeição em modo comum mais fraca. Para circuitos diferenciais de precisão, os projetistas frequentemente usam resistores de tolerância apertada, como peças de 0,1% ou 0,01%, em vez de resistores padrão de 1%.
• Em um amplificador de instrumentação, o ganho é frequentemente ajustado por um resistor externo ou por uma rede interna de ajuste de ganho, o que facilita alcançar ganho estável em circuitos de sensores e medição. A Analog Devices observa que os amplificadores operacionais são configurados por vários componentes externos, enquanto amplificadores de instrumentação são comumente configurados para ganho através de um único resistor ou taps de ganho selecionáveis.
Rejeição em Modo Comum e Rejeição de Ruído
A rejeição em modo comum descreve o quão bem um amplificador rejeita sinais que aparecem em ambas as entradas ao mesmo tempo. Isso é importante porque circuitos reais frequentemente captam ruído compartilhado de linhas de energia, motores, fontes de alimentação comutadas, fios longos de sensores ou circuitos digitais próximos. Se o amplificador apresentar rejeição ruim no modo comum, parte desse ruído indesejado pode aparecer na saída e reduzir a precisão do sinal.
• Amplificadores operacionais podem rejeitar sinais de modo comum, mas seu desempenho real depende da configuração do circuito e do projeto de realimentação.
• Um amplificador diferencial é especificamente feito para amplificar a diferença entre duas entradas, mas seu CMRR depende fortemente do ajuste de resistores. Se a rede de resistores não for balanceada, a rejeição de ruído em modo comum fica mais fraca.
• Amplificadores de instrumentação geralmente fornecem a rejeição de modo comum mais forte porque são projetados para sinais diferenciais pequenos em ambientes ruidosos. Em muitas aplicações de sensores de precisão, amplificadores de instrumentação podem ter valores CMRR entre 80 dB e mais de 120 dB, dependendo do ganho e do tipo de dispositivo.
Por isso, eles são frequentemente preferidos para sensores de ponte, termopares e sinais de medição médica ou industrial. Analog Devices descreve amplificadores de instrumentação como blocos de ganho de entrada diferencial, comumente usados onde são necessárias alta impedância de entrada e rejeição em modo comum.
Impedância de entrada e carga de fonte
A impedância de entrada mostra o quanto o amplificador afeta a fonte do sinal. Uma alta impedância de entrada significa que o amplificador recebe muito pouca corrente da fonte, então o sinal original é preservado melhor. Uma baixa impedância de entrada pode carregar a fonte, reduzir a tensão medida e criar erro de sinal antes mesmo do início da amplificação.
• Amplificadores operacionais geralmente têm alta impedância de entrada, especialmente tipos CMOS e JFET. Isso os torna úteis para buffering de tensão e condicionamento geral de sinal.
• Amplificadores diferenciais podem ter menor impedância de entrada efetiva porque o sinal de entrada frequentemente passa por redes de resistores. Isso pode se tornar um problema quando o sinal de origem é fraco ou vem de um sensor de alta impedância.
• Amplificadores de instrumentação geralmente fornecem impedância de entrada muito alta e balanceada em ambas as entradas, o que ajuda a evitar a carga dos sensores.
Deslocamento, Deriva e Precisão da Medição
A tensão de deslocamento é um pequeno erro indesejado de tensão que aparece na entrada do amplificador. Mesmo quando os dois sinais de entrada são iguais, um amplificador real ainda pode produzir um pequeno erro de saída devido a um desequilíbrio interno. Esse erro se torna mais grave ao medir sinais muito pequenos, como saídas de sensores em nível de microvolt ou milivolt.
Deriva significa que o deslocamento ou ganho muda conforme a temperatura muda ao longo do tempo. Isso importa em circuitos industriais, automotivos e de medição de precisão porque o amplificador pode não permanecer em uma temperatura fixa. Amplificadores operacionais gerais podem ser aceitáveis para condicionamento básico de sinal, mas amplificadores operacionais de precisão e amplificadores de instrumentação são melhores quando deslocados e o desvio devem ser muito baixos. Por exemplo, alguns amplificadores operacionais de precisão de drift zero podem ter voltagem de deslocamento na faixa sub-microvolt e desvio de deslocamento tão baixo quanto 0,005 μV/°C, dependendo do dispositivo. A família de amplificadores de precisão OPAx189 da TI é um exemplo que lista valores de deslocamento e desvio muito baixos para medição de sinal de precisão.
5,5 Largura de Banda, Taxa de Desvio e Resposta do Sinal
A largura de banda mostra a faixa de frequências que um amplificador pode suportar sem grande perda de sinal. A taxa de slew mostra a velocidade com que a tensão de saída pode mudar, geralmente medida em V/μs. Esses dois fatores determinam se o amplificador pode acompanhar sinais de entrada que mudam rapidamente com precisão. Se a largura de banda for muito baixa, sinais de alta frequência ficam mais fracos. Se a taxa de desvio for muito baixa, a saída pode parecer distorcida quando o sinal muda rapidamente.
Para amplificadores operacionais, a largura de banda geralmente está relacionada ao produto ganho-largura de banda. Isso significa que, à medida que o ganho em malha fechada aumenta, a largura de banda utilizável geralmente diminui. Por exemplo, se um amplificador operacional com realimentação de tensão tem um produto ganho-largura de banda de 10 MHz, ele pode fornecer cerca de 10 MHz de largura de banda com ganho de 1, mas apenas cerca de 1 MHz com ganho de 10, em um caso simplificado. O produto de ganho e largura de banda em malha fechada é uma figura fundamental para muitos amplificadores operacionais de realimentação de tensão.
Amplificadores diferenciais e de instrumentação também possuem limites de largura de banda, especialmente em ganhos maiores. Amplificadores de instrumentação são frequentemente otimizados para precisão e rejeição de ruído, em vez de velocidades muito altas, então sua largura de banda pode se tornar menor à medida que o ganho aumenta. Para sinais rápidos, você deve verificar tanto a largura de banda quanto a taxa de slew na folha de dados. A largura de banda de potência total geralmente deve ser várias vezes maior que a frequência máxima de saída do sinal para evitar distorção em projetos de amplificadores de alta velocidade
Aplicações no Mundo Real de Cada Tipo de Amplificador
Aplicações em Amplificadores Operacionais
Amplificadores operacionais são amplamente usados quando um circuito precisa de controle flexível de sinal. Eles podem amplificar sinais de tensão fraca, buffer um estágio de circuito de outro, filtrar frequências indesejadas ou ajustar um sinal antes que ele vá para um ADC, microcontrolador ou outro circuito analógico. Como o ganho e a função são definidos por componentes externos de realimentação, um CI de amplificador operacional pode suportar muitos papéis diferentes de circuito.
Um exemplo comum é o LM358. É um amplificador operacional duplo frequentemente usado em circuitos analógicos sensíveis a custos. A Texas Instruments lista o LM358 como um amplificador operacional duplo, 30 V e 700 kHz, o que o torna adequado para condicionamento geral de sinais, amplificação de baixa frequência, circuitos de interface de sensores e sistemas básicos de controle analógico. Por exemplo, um LM358 pode ser usado para amplificar uma pequena tensão de sensor antes que seja lida por um microcontrolador, ou pode atuar como um buffer de tensão para que o próximo estágio do circuito não carregue a fonte de sinal.
Amplificadores operacionais também são comuns em filtros ativos, pré-amplificadores de áudio, seguidores de tensão, amplificadores de erro em fontes de alimentação e circuitos de detecção de sinal semelhantes a comparadores. Eles geralmente são a melhor escolha quando o circuito precisa de flexibilidade, e não de desempenho de medição de maior precisão.
Aplicações em Amplificadores Diferenciais
Amplificadores diferenciais são usados quando o circuito precisa medir a diferença entre dois pontos de tensão, em vez de medir uma tensão em relação ao terra. Isso as torna úteis em detecção de corrente, subtração de tensão, recepção balanceada de sinais, realimentação de controle de motor e circuitos onde ruído indesejado aparece em ambas as linhas de entrada. Ao focar na diferença de tensão, um amplificador diferencial pode reduzir o ruído compartilhado e extrair o sinal útil.
Um exemplo real de CI é o AD8276 da Analog Devices. O AD8276 é um amplificador de diferença de ganho unitário projetado para condicionamento preciso de sinal em aplicações de baixa potência. Inclui resistores internos ajustados a laser, o que ajuda a melhorar a precisão do ganho e a rejeição em modo comum em comparação com um amplificador diferencial simples de resistor discreto. A Analog Devices lista os AD8276/AD8277 como amplificadores de diferença de uso geral com razão de rejeição em modo comum de 86 dB e baixa deriva de ganho.
Em circuitos reais, um dispositivo como o AD8276 pode ser usado para detecção de corrente, medição de tensão de precisão, conversão de extremidade única para diferencial e condicionamento industrial de sinais. É útil quando o projetista precisa de subtração precisa entre dois sinais, mas não precisa do desempenho completo de medição de sensores de um amplificador de instrumentação.
Aplicações em Amplificadores de Instrumentação
Amplificadores de instrumentação são usados quando o circuito precisa medir sinais diferenciais muito pequenos com precisão, especialmente quando há ruído presente. Eles são comuns em sistemas sensores porque proporcionam alta impedância de entrada, ganho estável e forte rejeição em modo comum. Isso ajuda a evitar que sinais fracos dos sensores sejam carregados ou distorcidos antes da amplificação.
Um exemplo comum é o INA333 da Texas Instruments. O INA333 é um amplificador de instrumentação de baixa potência e precisão, projetado para medição precisa de sinais. A TI afirma que utiliza um design de amplificador de instrumentação de três amplificadores operacionais e que um único resistor externo pode ajustar o ganho. Isso o torna útil para aplicações portáteis e baseadas em sensores, onde sinais pequenos precisam de amplificação limpa.
Amplificadores de instrumentação são frequentemente usados com células de carga, extensômetros, sensores de ponte, termopares, sensores de pressão, sensores biomédicos e sistemas de aquisição de dados. Por exemplo, uma célula de carga pode produzir apenas um pequeno sinal em nível de milivolts quando o peso é aplicado. Um amplificador de instrumentação como o INA333 pode amplificar esse pequeno sinal diferencial enquanto rejeita o ruído captado pelos fios sensores.
Seleção Real de Exemplo de Amplificador
| Caso de Uso do Sistema | Tipo de Sinal | Requisito Chave | Amplificador Recomendado | Por que encaixa |
|---|---|---|---|---|
| Amplificador de Áudio (Microfone para Alto-falante) | mV a V (de extremidade única) | Ganho flexível, largura de banda larga | Amplificador operacional (ex., TL072, LM358) | Cuida da amplificação do sinal, filtragem e buffering com design simples |
| Monitoramento de Corrente Motora | mV (atravessando o shunt, diferencial) | Rejeição de ruído, imunidade a PWM | Amplificador Diferencial (por exemplo, INA240) | Mede a diferença de tensão e rejeita o ruído de comutação |
| Sistema de ECG Médico | μV (diferencial muito pequeno) | Alta precisão, alto CMRR | Amplificador de Instrumentação (por exemplo, AD8232) | Amplifica sinais fracos com forte rejeição de ruído |
| Célula de Carga / Sistema de Pesagem | mV (sensor de ponte) | Alta impedância de entrada, ganho estável | Amplificador de Instrumentação (por exemplo, INA333) | Previne a carga dos sensores e garante medições precisas |
| Controle de Realimentação da Fonte de Alimentação | V (de extremidade única) | Ganho estável, resposta rápida | Op-Amp | Usado como amplificador de erro para regulação de tensão |
| Interface de Sensores Industriais | mV a V (diferencial ou de extremidade única) | Precisão e manejo de ruído | Amplificador operacional ou amplificador de instrumentação | A escolha depende da intensidade do sinal e do nível de ruído |
| Sensor de Corrente da Bateria | mV (diferencial do lado baixo ou do lado alto) | Precisão, baixa deriva | Amplificador Diferencial | Mede com precisão pequenas quedas de tensão através do resistor de derivação |
Conclusão
Amplificadores operacionais, diferenciais e amplificadores de instrumentação atendem cada um a diferentes necessidades de sinal. Use um amplificador operacional para amplificação flexível, buffering, filtragem e condicionamento geral do sinal. Use um amplificador diferencial quando o circuito precisar comparar dois pontos de tensão ou reduzir ruído compartilhado. Use um amplificador de instrumentação ao medir sinais sensorial muito pequenos que exigem alta precisão, alta impedância de entrada e forte rejeição de ruído. A escolha do amplificador certo depende do tipo de sinal, nível de ruído, precisão, velocidade e requisitos do circuito.
