Neste tutorial, vamos aprender sobre um dos circuitos importantes na concepção de circuitos analógicos: um Amplificador Diferencial. É essencialmente um amplificador electrónico, que tem duas entradas e amplifica a diferença entre essas duas tensões de entrada.
Amplificador Operacional é internamente um Amplificador Diferencial com características como Alta Impedância de Entrada, Baixa Impedância de Saída, etc. Para mais informações sobre Op-Amp, leia “Noções básicas sobre Amplificadores Operacionais”.
Outline
Introdução
O par diferencial ou configuração de amplificador diferencial é um bloco de construção mais amplamente utilizado na concepção de circuitos integrados analógicos. É o estágio de entrada de cada amplificador operacional, virtualmente.
Um amplificador diferencial ou amplificador diferencial amplifica a diferença entre os dois sinais de entrada. Um amplificador operacional é um amplificador de diferença; tem uma entrada inversa e uma entrada não inversa. Mas o ganho de tensão de circuito aberto de um amplificador operacional é demasiado elevado (idealmente infinito), para ser usado sem uma ligação de realimentação.
Assim, um amplificador de diferença prático usa uma ligação de realimentação negativa para controlar o ganho de tensão do amplificador.
VOLTAR AO TOPO
Amplificador diferencial
O amplificador diferencial mostrado no circuito acima é uma combinação de amplificadores tanto invertidos como não invertidos. Se o terminal não-invertente estiver ligado à terra, o circuito funciona como um amplificador inversor e o sinal de entrada V1 é amplificado por – (R3 / R1).
Simplesmente, se o terminal de entrada invertente estiver ligado à terra, o circuito comporta-se como um amplificador não-invertente. Com o terminal de entrada inversa ligado à terra, R3 e R1 funcionam como componentes de feedback de um amplificador não-invertente.
A entrada V2 é potencialmente dividida entre resistências R2 e R4 para dar VR4, e depois VR4 é amplificado por (R3 + R1) / R1.
With V2 = 0,
VO1 = -(R3 / R1) * V1
With V1 = 0,
VR4 = {R4/(R2+R4)}*V2
e
VO2 = {(R1+R3)/R1}*VR4
Por isso,
VO2 = {(R1 + R3) / R1} * {R4 / (R2 + R4) } * V2
Se as resistências de entrada forem escolhidas de tal forma que, R2 = R1 e R4 = R3, então
VO2 = {R3 / R1} * V2
Agora, de acordo com o princípio da sobreposição, se ambos os sinais de entrada V1 e V2 estiverem presentes, então a tensão de saída é
VO = VO1 + VO2
= {-(R3 / R1) * V1} + {R3 / R1} * V2
Que resulta em,
VO = (R3 / R1) * {V2 – V1}
Quando as resistências R3 e R1 são do mesmo valor, a saída é a diferença directa das tensões de entrada aplicadas. Seleccionando R3 maior que R1, a saída pode ser feita uma versão amplificada da diferença das tensões de entrada.
VOLTAR AO TOPO
Resistência de entrada
Um problema ao seleccionar as resistências de amplificador de diferença como R2 = R1 e R3 = R4 é que as resistências de entrada tanto para o amplificador inversor como para o nãoOs amplificadores inversores são desiguais.
A resistência de entrada para a tensão V1 é R1 como no caso de um amplificador de inversão. Para a entrada sem inversão, ou seja, para a tensão de entrada V2, a resistência de entrada é (R2 + R4).
Esta diferença nas resistências de entrada faz com que um dos sinais de entrada seja mais amplificado do que o outro.
A equação de saída do amplificador de diferença VO, pode ser obtida tornando a razão R4 / R2 igual a R3 / R1, em vez de fazer R2 = R1 e R4 = R3.
A diferença de resistência de entrada não causará problemas se as resistências da fonte do sinal forem muito menores do que as resistências de entrada. Além disso, é normalmente desejável ter R2 = R1 e R4 = R3, a fim de minimizar as tensões de desvio de entrada.
BACK TO TOP
Ganho diferencial
O ganho diferencial de um amplificador de diferença é definido como o ganho obtido no sinal de saída em relação à diferença nos sinais de entrada aplicados.
A tensão de saída de um amplificador de diferença é dada como,
VO = AD (V1 – V2)
onde, AD = – (R3 / R1) é o ganho diferencial do amplificador.
BACK TO TOP
Common Mode Input
Um amplificador de diferença amplifica a diferença entre as duas tensões de entrada. Idealmente, um modo comum de entrada Vcm faria as entradas (V1 + Vcm) e (V2 + Vcm), o que resultaria em Vcm ser cancelado quando a diferença das duas tensões de entrada fosse amplificada.
P>Desde que a saída de um amplificador de diferença prático dependa da relação das resistências de entrada, se estas relações de resistência não forem exactamente iguais, então uma tensão de entrada é amplificada por uma quantidade maior do que a outra entrada.
Consequentemente, a tensão de modo comum Vcm não será completamente cancelada. Como é praticamente impossível igualar perfeitamente os rácios das resistências, é provável que haja alguma tensão de saída do modo comum.
Com a tensão de entrada do modo comum presente, a tensão de saída do amplificador diferencial é dada como,
VO = AdVd + Ac Vc
Onde Vd = a diferença de tensão V1-V2
Vc = a tensão do modo comum (V1+V2)/2
VOLTAR AO TOPO
Razão de rejeição do modo comum (CMRR)
A capacidade de um amplificador diferencial para rejeitar sinais de entrada do modo comum é expressa em termos de razão de rejeição do modo comum (CMRR). A razão de rejeição de modo comum de um amplificador diferencial é dada matematicamente como a razão entre o ganho de tensão diferencial do amplificador diferencial e o seu ganho de modo comum.
CMRR = | Ad / Ac|
Idealmente, o ganho de tensão de modo comum de um amplificador diferencial é zero. Daí que o CMRR seja idealmente infinito.
BACK TO TOP
Características de um amplificador diferencial
- Ganho de tensão diferencial alto
- Ganho de modo comum baixo
- Impedância de entrada alta
- Impedância de saída baixa
- Li>Máxima CMRR
- Baixas tensões e correntes de desvio
Li>Largura de banda larga
VOLTAR AO TOPO
Amplificador Diferencial como Comparador
Um circuito amplificador diferencial é um op-circuito amp, uma vez que pode ser configurado para “adicionar” ou “subtrair” as tensões de entrada, adicionando adequadamente mais resistências em paralelo com as resistências de entrada.
Um circuito amplificador diferencial de ponte de Wheatstone é o indicado na figura acima. Este circuito comporta-se como um comparador de tensão diferencial.
Ao ligar uma entrada a uma tensão fixa e a outra a um termistor (ou a uma resistência dependente da luz), o circuito amplificador diferencial detecta níveis altos ou baixos de temperatura (ou intensidade da luz) à medida que a tensão de saída se torna uma função linear das alterações na perna activa da rede de ponte resistiva.
Um amplificador diferencial de ponte de Wheatstone também pode ser utilizado para encontrar a resistência desconhecida na rede de ponte resistiva, comparando as tensões de entrada através das resistências.
BACK TO TOP
Interruptor Activado com Amplificador Diferencial
O circuito mostrado na figura acima actua como um interruptor dependente da luz, que liga ou desliga o relé de saída à medida que a intensidade da luz que cai sobre a resistência dependente da luz (LDR) excede ou cai abaixo de um valor pré-definido no terminal de entrada não-invertente V2.
A tensão V2 é determinada pela resistência variável VR1. As resistências R1 e R2 actuam como uma rede divisória potencial. Uma tensão de referência fixa é aplicada à entrada inversa, através de R1 e R2.
O mesmo circuito pode ser modificado para detectar variações de temperatura, simplesmente através da substituição do LDR por um Termistor. Através da troca das posições do LDR e VR1, o circuito pode ser feito para detectar escuro ou claro (ou calor ou frio com o uso de um termistor).
VOLTAR AO TOPO
Amplificador diferencial Exemplo
Determinar a tensão de saída de um amplificador diferencial para as tensões de entrada de 300µV e 240µV. O ganho diferencial do amplificador é 5000 e o valor de CMRR é (i) 100 e (ii) 105
O amplificador diferencial para os dados dados dados é representado como mostra a figura.
i) CMRR = Ad / Ac
100 =5000 / Ac
Ac = 50
Vd = V1 – V2 = 300µV – 240µV = 60µV
Vc = (V1 + V2)/2 = 540µV / 2 = 270 µV
VO = Ad Vd + Ac Vc
= µV
VO = 313500 µV = 313.500 mV
ii) CMRR = 105
Ac = Ad / CMRR = 5000 / 105 = 0.05
VO = AdVd + Ac Vc = µV
VO = 300013.5 µV
Nota: Idealmente, Ac iszero. Assim, a saída é apenas AdVd, o que resulta em VO = 5000 x 60 µV = 300mV.
BACK TO TOP
Resumo do Amplificador Diferencial
- Um amplificador diferencial também conhecido como amplificador de diferença é uma configuração op-amp útil que amplifica a diferença entre as tensões de entrada aplicadas.
- Um amplificador diferencial é uma combinação de amplificadores tanto invertidos como não invertidos. Utiliza uma ligação de feedback negativo para controlar o ganho de tensão diferencial.
- O ganho de tensão diferencial do amplificador depende da relação das resistências de entrada. Portanto, ao escolher cuidadosamente as resistências de entrada, é possível controlar com precisão o ganho do amplificador diferencial.
- O ganho de modo comum de um amplificador diferencial é idealmente zero. Mas devido ao desajuste nos valores das resistências, haverá uma tensão de saída de modo comum muito pequena e um ganho de modo comum finito.
- Ao modificar adequadamente as ligações das resistências nos terminais de entrada, pode ser feito um amplificador de diferença para adicionar, subtrair e comparar os níveis de tensão de entrada aplicados.
VOLTAR AO TOPO
Posto anterior – Amplificador de soma
Posto seguinte – Amplificador de instrumentação