Condicionando sinais AC para AmpOp com fonte simples

No quarto artigo desta série abordei um pouco sobre a utilização dos AmpOp’s sem a utilização de uma fonte simétrica, ou seja, utilizando apenas uma alimentação positiva. É algo bastante comum para quem envolve algum tipo de instrumentação em um projeto embarcado já que a grande maioria dos ADC’s dos microcontroladores são single-ended.

A ideia de retomar este assunto surgiu após ministrar o workshop “Do Mundo Real Ao Digital – Condicionamento de Sinais” na SIEEL 2018. O material deste workshop pode ser acessado neste link. Indico também estes ebooks da TI.

Condicionar um sinal AC para que se enquadre no range do ADC pode ser um pequeno desafio. Apesar de já ter apresentado alguns circuitos no artigo anteriormente mencionado, resolvi voltar neste tópico com circuitos semelhantes, só que mais simples (e econômicos). Além disso irei usar essa abordagem para no próximo artigo apresentar a solução de uma limitação inerente destas soluções.

Ambas soluções apresentadas são relativamente simples, mas de uma beleza muito grande já que o mesmo circuito se comporta de duas maneiras totalmente diferentes para AC e DC, agradeçam ao capacitor por isso.

Para ambos os casos vamos considerar um ADC genérico com entrada entre 0 e 5 V.

Acoplando sinal AC a um Amplificador Inversor

O circuito para condicionar um sinal AC em um amplificador inversor com fonte simples pode ser visto na figura a seguir.

O circuito formado por R1 e R2 formam um divisor resistivo, que neste caso gera uma tensão DC de 2,5 V. Este é um valor interessante pois está exatamente no meio do range do ADC, deixando o mesmo headroom para o semiciclo positivo e negativo (se bem que agora será tudo positivo se formos levar ao pé da letra).

O capacitor C2 em conjunto com R1 e R2 formam um filtro passa baixa de primeira ordem e sua frequência de corte pode ser calculada através da equação a seguir. Lembrando que R é a resistência paralelo equivalente vista pelo capacitor (Thévenin). Este filtro é interessante para evitar que ruídos presentes na alimentação cheguem ao terra virtual (virtual ground).

(1)

O sinal AC é aplicado na entrada inversora através de um capacitor de acoplamento conectado ao resistor RG. Este capacitor é que permite toda a “beleza” desta abordagem. Para o sinal AC o capacitor idealmente será um curto-circuito, permitindo que o sinal chegue ao AmpOp e seja amplificado de acordo com o ganho definido pelo projetista através dos resistores RF e RG.

O capacitor de acoplamento forma um filtro passa alta de primeira ordem seguindo a equação anterior onde R será o resistor RG.

Mas não se esqueça que temos o sinal DC que serve como um terra virtual. Este sinal também é aplicado no AmpOp, mas na entrada inversora. Note que o mesmo capacitor que anteriormente se comportava como um curto-circuito agora comporta-se como uma chave aberta (resistência infinita) para DC, ou seja, o sinal DC não será amplificado pois o amplificador se comporta como um buffer (ganho unitário) para o mesmo. Na saída do AmpOp teremos o sinal AC sobreposto ao terra virtual (DC).

Para o circuito de exemplo teremos o sinal AC sendo amplificado 10x e com inversão de fase na saída; com uma frequência de corte de aproximadamente 3,2 Hz para o terra virtual de 2,5 V; com frequência de corte inferior (passa-alta) de aproximadamente 15,91 Hz. A banda de sinal superior será limitada basicamente pelo bandwidth do AmpOp dividido pelo ganho do sinal. Dependendo do caso, um capacitor pode ser colocado em paralelo com RF formando um filtro passa-baixa para limitar a banda do sinal, formando outro filtro de primeira ordem. A seguir temos o resultado deste circuito bem como sua simulação.

Acoplando sinal AC a um Amplificador Não-Inversor

O circuito para condicionar um sinal AC em um amplificador não-inversor com fonte simples pode ser visto na figura a seguir.

Novamente temos um divisor resistivo formado por R1 e R2 para criar uma tensão DC de 2,5 V e essa tensão é aplicada à entrada não inversora. O mesmo comportamento do primeiro circuito acontecerá aqui. O sinal DC enxergará um buffer, reproduzindo o nível DC na saída do AmpOp.

Note que o capacitor C2 conecta o sinal AC à entrada não inversora, ou seja, na entrada do amplificador já existe a sobreposição do sinal AC original com o nível DC determinado pelo divisor de tensão.

Assim como no circuito anterior, o capacitor de acoplamento (C2) forma um filtro passa-alta com o resistor paralelo equivalente entre R1 e R2. Mas o capacitor C1 também formará outro filtro passa-alta com RG. Ou seja, temos dois filtros sobrepostos. Para que a frequência de corte desejada seja alcançada, devemos dividir a frequência de corte inferior por “1,557” antes de aplicarmos nas fórmulas.

Para o circuito de exemplo teremos o sinal AC sendo amplificado 10x sem inversão de fase na saída; terra virtual de 2,5 V; frequência de corte inferior (passa-alta) de aproximadamente 15,91 Hz. A banda de sinal superior será limitada basicamente pelo bandwidth do AmpOp dividido pelo ganho do sinal. Dependendo do caso, um capacitor pode ser colocado em paralelo com RF formando um filtro passa-baixa para limitar a banda do sinal, formando outro filtro de primeira ordem. A seguir temos o resultado deste circuito bem como sua simulação.

Até o próximo artigo.

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