Fonte de Alimentação Simples com Amplificador Operacional

Caro leitor, estamos chegando ao final desta pequena série através das principais configurações utilizando nosso versátil amplificador operacional.

A importância deste componente dentro da eletrônica é enorme estando presente em grande parte dos dispositivos, seja comparando sinais ou amplificando-os como vimos no primeiro artigo desta série, somando ou mesmo subtraindo (amplificando a diferença) como vimos no segundo artigo, ou mesmo amplificando pequenos sinais diferenciais através dos amplificadores de instrumentação como vimos na terceira parte desta série.

Além destas aplicações “básicas” podemos utilizar os AmpOp’s, por exemplo, para realizar cálculos mais complexos envolvendo integração e diferenciação. São componentes essenciais dos filtros ativos trazendo características muito interessantes e importantes no processo de filtragem analógica de sinais. Suas aplicações são infinitas, dependendo basicamente de nosso conhecimento, necessidade e criatividade.

Neste ponto você já deve ter notado que todas as aplicações dadas até este momento ou mesmo na definição da simbologia tradicional do AmpOp utilizamos duas fontes de alimentação complementares, formando o que conhecemos por fonte de alimentação simétrica.

Nesta quarta parte abordaremos justamente como utilizar amplificadores operacionais fora desta realidade. Essa característica se torna bastante importante principalmente quando falamos de sistemas embarcados sendo alimentados por uma fonte de alimentação simples ou mesmo por uma bateria. Creio que neste ponto um dos melhores exemplos presente no dia a dia de todos nós são os smartphones, entretanto não limita-se a isso, essa limitação pode estar presente em diversos outros dispositivos, como por exemplo um oxímetro de pulso portátil.

Alimentação simétrica e fonte de alimentação simples

Tradicionalmente quando começamos a estudar sobre os AmpOp’s aprendemos que devemos alimentar o componente através de duas fontes, sendo uma positiva e outra negativa, o que conhecemos por alimentação simétrica.

Neste ponto pode surgir aquela interrogação: “Por que não existe um pino de GND e mesmo assim o circuito funciona perfeitamente?”. A explicação para isso pode ser vista na Figura 2. Uma fonte simétrica é formada basicamente por duas fontes de alimentação com um de seus terminais conectado ao complementar da outra fonte. Este terminal em comum, por sua vez, é conectado ao GND do sistema que formará a referência. Deste modo, realizando a medição das duas tensões em referência ao GND (mantendo o comum do multímetro conectado ao GND) iremos obter como resultado duas fontes com polaridades invertidas. Este arranjo faz com que o GND fique implicitamente conectado ao AmpOp.

Este é o modo padrão de utilização e até certa altura de nossos estudos ou experimentos pode ser uma verdade absoluta. Na verdade alguns cursos e materiais didáticos abordam os AmpOp’s apenas sob a perspectiva das fontes simétricas, algo que pode ser visto como uma “deficiência” a ser sanada.

Em certo ponto de nossos estudos decidimos enveredar no mundo dos embarcados e algo que era relativamente simples pode se tornar um bicho de sete cabeças. Digo-lhes isso por experiência própria…

Para o TCC de minha graduação decidi desenvolver um Gerenciador de Energia com enfoque nos equipamentos médicos e para tal necessitava medir algumas grandezas elétricas como tensão, corrente, potência e frequência, que seriam processados por um microcontrolador e apresentados ao usuário. A primeira necessidade do projeto era condicionar os sinais analógicos dentro dos limites do conversor analógico/digital (ADC) e ai surgiram as primeiras dúvidas/problemas: “Qual AmpOp utilizar?”, “Como eu ligo o AmpOp sem a fonte simétrica?”, “Onde foi parar a metade do semiciclo que está faltando?”, “Por que preciso de um capacitor desacoplando a fonte de sinal?”… Estas e diversas outras dúvidas acabaram surgindo com este novo desafio, e a partir disso comecei a me interessar bastante por este tipo de aplicação.

Em teoria qualquer amplificador operacional pode funcionar na ausência de alimentação simétrica, para tal conectamos a alimentação positiva ao respectivo pino do componente e no pino referente à alimentação negativa conectamos o GND. Como comentamos, em teoria, já que na prática nem todo AmpOp comporta-se como esperado quando alimentado por uma fonte de alimentação simples, principalmente com baixa tensão. Isto tem relação às suas limitações construtivas e também aos limites dos sinais conforme disposto no datasheet do componente.

A tabela a seguir apresenta os resultados de um pequeno teste com dois modelos bastante comuns de AmpOp’s, o TL082 e o LM358 (infelizmente não tinha comigo um 741). Ambos foram conectados em fontes de alimentação simples de 3,3 V e 5 V. O teste foi conduzido através da montagem no breadboard e também através de simulação computacional para compararmos os resultados. Utilizou-se da configuração de buffer onde na sua entrada foram aplicados os níveis de VCC e GND para verificar seu comportamento nos extremos.

	Real	Simulado
VCC = 3,3 V	VCC = 5,0 V	VCC = 3,3 V	VCC = 5,0 V
LM358 (V+ = VCC)	2,07 V	3,78 V	1,84 V	3,54 V
LM358 (V+ = GND)	0,00 V	0,00 V	2,77 mV	2,77 mV
TL082 (V+ = VCC)	2,91 V	4,58 V	1,77 V	3,47 V
TL082 (V+ = GND)	3,17 V	4,78 V	1,54 V	1,54 V

Veja, em teoria, esperaríamos que os valores estivessem bastante próximos dos limites de V_CC e GND. O LM358 comportou-se próximo do esperado com uma ligeira queda de tensão quando saturando positivamente. Já o TL082 utilizado apresentou um resultado bastante diferente, quando aplicamos GND em sua entrada sua saída acaba sendo maior do que quando aplicamos V_CC. Este simples teste serve somente para demonstrar que na prática as coisas podem divergir um pouco do esperado visto que depende da topologia e tecnologia interna do AmpOp.

Outro ponto interessante é que neste caso, além da prática não bater totalmente com o esperado, a simulação também não bate com o real. Sou defensor das ferramentas computacionais de simulação já que nos poupam tempo e dinheiro, mas devemos ter em mente que estas ferramentas possuem limitações e que em certos pontos seus modelos podem não reproduzir os resultados esperados.

Justamente as limitações técnicas dos modelos mais tradicionais de uso geral acabam dificultando sua aplicação com fonte de alimentação simples e baixa tensão, como é o caso dos circuitos microcontrolados que operam tradicionalmente com tensões de 3,3 V ou 5 V. Para aplicações com limites mais rígidos de tensão devemos optar pelos AmpOp’s do tipo Rail-to-Rail.

AmpOp’s Rail-to-Rail

Teoricamente um amplificador ideal possui a capacidade de excursionar sua saída até os limites de sua alimentação, entretanto na prática notamos que os AmpOp’s não possuem essa capacidade, de maneira que o limite de excursão é sempre inferior a tensão de alimentação.

Em virtude da necessidade de componentes compatíveis com pequenas tensões de alimentação, alimentação simples e capacidade máxima de aproveitamento da tensão de entrada/saída do componente, os fabricantes passaram a desenvolver novos modelos com arquiteturas otimizadas para tais funções. Estes AmpOp’s são conhecidos como Rail-to-Rail.

Este componente tem como principal característica a capacidade de aproveitar praticamente todo o range de alimentação em sua saída, na prática contando com apenas alguns mV de perda entre os limites de alimentação. Por exemplo, a linha MCP600x da Microchip possui um Maximum Output Voltage Swing de “V_SS + 25 mV” e “V_DD – 25 mV”, além disso possui impressionantes 10 TΩ de impedância de entrada, isso mesmo, 10¹³ Ω. Outro modelo bastante singular é o OPA344/345 da Texas Instruments, que alimentado com 5 V e com um sinal de 5 V_PP em sua entrada disponibiliza 4,997 V_PP em sua saída, cerca de 3 mV de perdas.

Alguns modelos são caracterizados como Rail-to-Rail apenas na saída, enquanto outros possuem esta característica também em suas entradas. Isso implica que os sinais aplicados nas entradas podem alcançar os limites das linhas de alimentação sem sofrerem distorção. Na verdade na maioria dos modelos os sinais podem exceder brevemente os valores das linhas de alimentação (verifique de acordo com o datasheet).

Além desta característica bastante importante, alguns modelos são desenvolvidos apenas para aplicação em fonte de alimentação simples além de tradicionalmente possuírem consumo menor que os componentes de uso geral, algo extremamente importante em uma aplicação alimentada por uma bateria.

Após comentarmos sobre essas características, vamos ao que realmente interessa, analisar como ficam as configurações quando utilizamos alimentação simples!

Em sua essência as análises realizadas para todas as configurações abordadas anteriormente serão mantidas, mas para que os circuitos funcionem como esperado utilizaremos de um pequeno truque que será explicado mais a frente.

Caso o sinal a ser amplificador for um sinal DC, manteremos basicamente os mesmos circuitos, mas deveremos estar atentos ao seguinte ponto, não existe alimentação negativa, logo a saída do AmpOp nunca será negativa em referência ao GND. Por exemplo, nos circuitos comparadores apresentados anteriormente o resultado da comparação era a saturação entre a alimentação negativa e positiva, quando utilizamos a alimentação simples sua saída irá saturar entre V_CC e GND.

As configurações mais básicas como amplificador não inversor ou buffer permanecem inalteradas, entretanto, devemos tomar cuidado ao utilizar a configuração inversora. Um sinal positivo aplicado à entrada inversora não retornará o resultado desejado, mas um sinal negativo aplicado à entrada inversora teoricamente retornará um valor válido, ou seja, uma saída positiva. Nossa restrição nesse caso está relacionada aos limites do componente, então desde que a alimentação negativa não exceda os limites das entradas estamos tecnicamente em uma região “operável”. Como os limites tradicionalmente estão na casa das dezenas ou centenas de mV esta configuração pode não ser tão interessante.

Terra Virtual ou Virtual Ground

Lembra-se que comentamos sobre um pequeno “truque” que nos permite utilizar a alimentação simples em todas as configurações, mesmo com sinais AC? Esta técnica é chamada de Terra Virtual, ou Virtual Ground.

Como vimos, quando retiramos a alimentação negativa perdemos a capacidade de excursionar um sinal negativamente. Para trabalharmos com sinais AC será necessário criar uma nova referência permitindo que o sinal seja amplificado da maneira desejada sem que parte do seu ciclo seja ceifada ou distorcida. Neste ponto introduzimos o conceito do virtual ground como uma nova referência para o sinal. Ao invés do sinal variar em torno do GND, irá variar em torno do virtual ground [1].

O ponto desta referência pode ser escolhido de acordo com a necessidade do projeto, mas tradicionalmente escolhe-se o ponto V_CC/2 já que permite, por exemplo, que um sinal AC após amplificado aproveite todo o range de um conversor ADC que esteja referenciado ao V_CC. Um exemplo de terra virtual é apresentado na Figura 3.

O circuito é composto basicamente por um divisor resistivo responsável por aplicar uma tensão V_CC/2 na entrada do buffer. O capacitor utilizado atua como um filtro desacoplando possíveis ruídos.

Desacoplando a fonte de sinal AC

Um dos pontos mais importantes e que também pode causar dúvida em quem está começando a utilizar configurações com fonte de alimentação simples tem relação ao desacoplamento de sinais AC.

Toda fonte de sinal AC deverá ser desacoplada da configuração desejada para que esta funcione devidamente, para tal utilizaremos capacitores. Retomando um pouco da teoria relacionada à reatância de um capacitor, o mesmo comporta-se como uma impedância infinita (chave aberta) para sinais DC e tende a possuir menores valores para sinais AC, comportando-se praticamente como um curto-circuito para sinais de alta frequência.

Você notará que em todas as aplicações utilizaremos capacitores na entrada do sinal. Uma regra prática é utilizar o capacitor com maior valor disponível para garantir que sua reatância seja bastante baixa. Isto dependerá muito da frequência da fonte de sinal, de maneira que o valor do capacitor será mais crítico em aplicações de baixa frequência.

Sua ação sobre o circuito ficará clara durante as análises que executaremos a seguir e através das simulações.

Principais configurações

Um set bastante completo utilizando fonte de alimentação simples pode ser visto nos application note “A Single-Supply Op-Amp Circuit Collection” da Texas Instruments e “Using Single Supply Operational Amplifier in Embedded Systems” da Microchip.

Diante deste vasto setup de configurações, comentarei sobre como realizamos a análise de algumas configurações, já adiantando que seguirão a mesma ideia das análises anteriores a partir do teorema de Superposição.

Primeiro analisaremos a configuração inversora. Tomemos como base a Figura 4.

O arranjo da configuração continua basicamente o mesmo com apenas duas modificações. Primeiramente o capacitor entre V_in e R_G responsável por desacoplar a fonte de sinal do circuito. A segunda diferença está na conexão do Terra Virtual à entrada não inversora através do resistor limitador de corrente R_vgnd. Na configuração tradicional conectaríamos a entrada não inversora diretamente ao terra, e este seria a referência para as análises de corrente. A mesma análise pode ser empregue, mas o teorema de superposição facilita bastante nosso trabalho.

Para analisar o Terra Virtual deveremos zerar V_in. Nosso terra virtual é um sinal DC que servirá de referência para o sinal AC. Por se tratar de um sinal DC o capacitor de desacoplamento se comporta como uma impedância infinita (chave aberta), então podemos aproximar esta configuração a um buffer com ganho unitário, ou seja, a tensão do Terra Virtual presente na entrada estará presente na saída.

Agora para analisar V_in devemos zerar o Terra Virtual. Com isto veremos que o sinal é aplicado a uma simples configuração inversora da qual podemos obter diretamente seu ganho através da relação entre R_F e R_G (caso não se lembrar da fórmula, convido-o a dar uma lida nas primeiras partes desta série).

Por fim somamos os dois resultados independentes para obter a saída da configuração. Nossa saída será o sinal AC de entrada amplificado por um ganho “-A” (onde o sinal negativo representa a inversão de polaridade), com este sinal sobreposto ao terra virtual, ou seja, excursionado sobre esta nova referência.

Uma curiosidade interessante é que o sinal de saída, apesar de manter a característica alternada, será considerado como um sinal DC pulsante, visto que não existe mais variação de polaridade, apenas de amplitude do sinal.

O resistor R_vgnd é calculado a partir da associação em paralelo de R_F e R_G (RF || RG).

A simulação a seguir nos permite entender melhor os conceitos apresentados. Inicialmente note que existe uma chave aberta permitindo que desconectemos o sinal AC, permitindo verificar apenas o Terra Virtual, neste caso representado por uma fonte DC de 2 V. Veja que na saída do AmpOp obtemos o mesmo valor. Fechando esta primeira chave (aguarde alguns ciclos até o estado do circuito se estabilizar) veremos que o sinal AC de entrada varia sua amplitude em torno de GND. Este sinal sofre um ganho “-1x” da configuração e é sobreposto sobre o nível DC de 2 V, conforme é possível verificar na saída.

OpAmp Single Supply – Inverting – Everycircuit (Para simulação clique no link, e certifique-se que esteja utilizando o navegador Chrome em um PC)

Note que existe uma chave seletora adicional que permite analisarmos o impacto do circuito na presença ou ausência do capacitor. Experimente neste momento alterar a posição da chave e verificar o funcionamento do circuito sem o capacitor.

Veja que o sinal na saída foi deslocado para cima no eixo vertical e encontra-se variando sobre o nível DC de 4 V. Ao retirar o capacitor a configuração deixou de atuar como um buffer para o Terra Virtual, passando a amplificar o mesmo com um ganho dado pelo ganho da configuração não inversora, neste caso um ganho de “2x” (em caso de dúvida, realize a analise através da Superposição).

Para configuração não inversora tomaremos como base o circuito da Figura 5.

A essência da configuração permanece a mesma. Novamente o primeiro diferencial é dado pelo capacitor desacoplando a fonte AC. A segunda diferença é que adicionamos dois terras virtuais, na verdade o mesmo Terra Virtual é aplicado a dois pontos distintos.

Para facilitar a analise vamos supor que RF e RG são iguais, então analisaremos cada uma das fontes independentemente. Para o Terra Virtual conectado à entrada não inversora teremos uma configuração não inversora, e como definimos RF e RG como iguais, sabemos que o ganho desta configuração será “2x”. Para o outro Terra Virtual conectado à entrada inversora sabemos que o ganho da configuração inversora neste caso é “-1x”. Obedecendo a Superposição, deveremos somar os resultados, que ao final será o próprio valor do Terra Virtual.

Agora nos resta analisar V_in. Notamos um amplificador não inversor, no qual podemos calcular o ganho, que para este caso de exemplo é “2x”. Somando este resultado ao anteriormente encontrado veremos que o sinal AC sofrerá um ganho e irá variar em torno da referência definida pelo Terra Virtual, mas neste caso sem a inversão de fase.

A simulação a seguir apresenta um exemplo deste circuito. Novamente a primeira chave próxima à fonte AC nos permite avaliar o nível DC na saída. Estamos aplicando um nível DC de 2 V como Virtual Ground e este está presente na saída. Acionando a chave o sinal AC será conectado ao circuito (aguarde alguns ciclos até a simulação estabilizar) e então obteremos o resultado desejado, um sinal amplificado “2x”, sem inversão de fase e variando em torno da nova referência.

OpAmp Single Supply – Non Inverting v2 – EveryCircuit (Para simulação clique no link, e certifique-se que esteja utilizando o navegador Chrome em um PC)

Através da segunda chave podemos aplicar um by-pass no capacitor de desacoplamento, acione-a e verifique a saída. O nível de tensão ficou saturado em 0 V correto? Veja, ao analisamos o Terra Virtual, quando o capacitor está conectado e isolando a fonte AC do circuito, apesar de zerarmos as outras fontes para análise, o capacitor comporta-se como uma chave aberta entre o sinal DC do Terra Virtual e a fonte AC zerada. Sendo assim, toda tensão é aplicada à entrada. Quando retiramos o capacitor, ao realizamos a mesma anàlise notaremos que a entrada não inversora fica aterrada pela fonte AC zerada. Para o Terra Virtual na entrada não inversora a saída será “0 V”, para a entrada inversora será “-2 V”, por fim somando dos resultados teremos um nível DC de “-2 V” na saída. Como não existe alimentação negativa, o circuito tende a saturar próximo de seu limite inferior, o GND.

Se quiser verificar este comportamento na simulação, pause-a, clique sobre o AmpOp e vá até suas configurações. Veja que o parâmetro “Min Output” está fixado em “0 V” para simular a alimentação simples. Altere este valor para “-15 V” e veja o resultado na saída com e sem capacitor.

Deve-se ter em mente que existem diversas outras possibilidades de montagem das configurações com o mesmo resultado, cada uma com seus prós e contras. Estes exemplos servem como um incentivador em busca de novos arranjos dentro da literatura. A escolha do melhor modelo será dado em função da aplicação, suas características e limitações.

Em alguns projetos, mesmo na linha dos portáteis ou embarcados, não poderemos utilizar a fonte de alimentação simples, seja pela necessidade de precisão, pela necessidade de realmente obter valores negativos, ou qualquer outra restrição do projeto. Nestes casos existem opções disponíveis para obtermos a alimentação simétrica. As alternativas vão desde a utilização de múltiplas baterias com um ponto em comum, utilização de circuitos charge pump ou alguns integrados que nos permitem gerar uma alimentação negativa através de uma fonte de alimentação simples.

Amigo leitor, chegamos ao final desta pequena série sobre os AmpOp’s. Tentamos abordar as principais configurações através de análises descomplicadas até onde é possível e também de uma maneira genérica que possa ser aplicada à grande parte dos circuitos. Este é um assunto extremamente amplo no qual sempre teremos algo novo a aprender.

Obrigado e até um próximo artigo!

Referências

[1] Texas Instruments, “A single-Supply Op-Amp Circuit Collection,” 2000.

[2] Microchip, “Using Single Supply Operational Amplifier in Embedded Systems,” 2000.