6. Design de circuitos de amplificadores
CORRENTE - 6. Projeto de circuitos de amp op
ANTERIOR - 5. Entradas inversas e não inversas combinadas
Design de circuitos de amplificadores operacionais
Uma vez que a configuração de um sistema op-amp é dada, podemos analisar esse sistema para determinar a saída em termos de entradas. Realizamos essa análise usando o procedimento discutido anteriormente (neste capítulo).
Se você agora deseja design um circuito que combina entradas invertidas e não inversoras, o problema é mais complexo. Em um problema de projeto, é dada uma equação linear desejada, e o circuito do amplificador operacional deve ser projetado. A saída desejada do verão do amplificador operacional pode ser expressa como uma combinação linear de entradas,
(30)
onde X1, X2 ...Xn são os ganhos desejados nas entradas não-inversoras e Ya, Yb ...Ym são os ganhos desejados nas entradas de inversão. A equação (30) é implementada com o circuito da figura (14).
Figura 14- verão de entrada múltipla
Este circuito é uma versão ligeiramente modificada do circuito da figura (13) (Entradas inversoras e não inversoras.
Figura 13 - Entradas inversoras e não inversas
A única mudança que fizemos foi incluir resistores entre as entradas de op-amplificador e o terra. O terra pode ser visto como uma entrada adicional de zero volts conectada através do resistor correspondente (Ry para a entrada de inversão e Rx para a entrada não-inversora). A adição desses resistores nos dá flexibilidade para atender quaisquer requisitos além daqueles da Equação (30). Por exemplo, as resistências de entrada podem ser especificadas. Um ou ambos desses resistores adicionais podem ser removidos deixando seus valores irem ao infinito.
A equação (29) da seção anterior mostra que os valores dos resistores, Ra, Rb...Rm e R1, R2...Rn são inversamente proporcionais aos ganhos desejados associados às respectivas tensões de entrada. Em outras palavras, se um grande ganho for desejado em um determinado terminal de entrada, então a resistência nesse terminal é pequena.
Quando o ganho de malha aberta do amplificador operacional, G, é grande, a tensão de saída pode ser escrita em termos de resistores conectados ao amplificador operacional como na equação (29). A equação (31) repete essa expressão com uma leve simplificação e com a adição dos resistores ao terra.
(31)
Nós definimos duas resistências equivalentes como segue:
(32)
APLICAÇÃO
Analise o seguinte circuito usando TINACloud para determinar VFora em termos de voltagens de entrada, clicando no link abaixo.
Simulação de Circuito de Verão de Múltiplas Entradas pela TINACloud
Simulação de Circuito de Verão de Múltiplas Entradas pela TINACloud
Vemos que a tensão de saída é uma combinação linear de insumos onde cada entrada é dividida pela sua resistência associada e multiplicada por outra resistência. A resistência multiplicadora é RF para inverter entradas e Req para entradas não inversas.
O número de incógnitas neste problema é n + m +3 (ou seja, os valores do resistor desconhecido). Precisamos, portanto, desenvolver n + m +Equações 3 para resolver estas incógnitas. Nós podemos formular n + m destas equações, combinando os coeficientes fornecidos na Equação (30). Ou seja, simplesmente desenvolvemos o sistema de equações de Equações (30), (31) e (32) da seguinte forma:
(33)
Como temos mais três incógnitas, temos a flexibilidade de satisfazer mais três restrições. Restrições adicionais típicas incluem considerações de resistência de entrada e ter valores razoáveis para os resistores (por exemplo, você não gostaria de ter que usar um resistor de precisão para R1 igual a 10-4 ohms!)
Embora não seja necessário para o projeto usando os amplificadores operacionais ideais, usaremos uma restrição de projeto que é importante para os amplificadores operacionais não ideais. Para o op-amp não-inversor, a resistência de Thevenin que olha para trás a partir da entrada de inversão é geralmente feita igual àquela que olha para trás a partir da entrada não-inversora. Para a configuração mostrada na Figura (14), essa restrição pode ser expressa da seguinte maneira:
(34)
A última igualdade resulta da definição de RA da equação (32). Substituindo este resultado em Equação (31) produz a restrição,
(35)
(36)
Substituindo este resultado em Equação (33) produz o simples conjunto de equações,
(37)
As combinações de Equação (34) e Equação (37) nos fornecem as informações necessárias para projetar o circuito. Nós selecionamos um valor de RF e depois resolva os vários resistores de entrada usando Equation (37). Se os valores dos resistores não estiverem em uma faixa prática, voltamos e alteramos o valor do resistor de realimentação. Uma vez que resolvemos os resistores de entrada, usamos a Equação (34) para forçar as resistências a serem iguais olhando para trás a partir das duas entradas de amplificador. Nós selecionamos valores de Rx e Ry para forçar essa igualdade. Embora as Equações (34) e (37) contenham as informações essenciais para o projeto, uma consideração importante é incluir ou não os resistores entre as entradas do amplificador operacional e o terra (Rx e Ry). A solução pode exigir iterações para obter valores significativos (ou seja, você pode executar a solução uma vez e obter valores de resistência negativos). Por este motivo, apresentamos um procedimento numérico que simplifica a quantidade de cálculos[1]
A equação (34) pode ser reescrita da seguinte forma:
(38)
Substituindo a Equação (37) na Equação (38) obtemos,
(39)
Lembre-se que nosso objetivo é resolver os valores dos resistores em termos de Xi e Yj. Vamos definir os termos de soma da seguinte forma:
(40)
Podemos, então, reescrever a Equação (39) da seguinte maneira:
(41)
Este é um ponto de partida para o nosso procedimento de design. Lembre-se de que Rx e Ry são os resistores entre o terra e as entradas não inversoras e inversoras, respectivamente. O resistor de feedback é denotado RF e um novo termo, Z, é definido como
(42)
Tabela (1) - Projeto do amplificador de condensação
Podemos eliminar um ou ambos os resistores Rx e Ry, do circuito da figura (14). Ou seja, um ou ambos desses resistores podem ser definidos para infinito (isto é, circuito aberto). Isso produz três possibilidades de design. Dependendo dos fatores multiplicadores desejados que relacionam a saída à entrada, um desses casos produzirá o design apropriado. Os resultados estão resumidos na Tabela (1).
Design de circuitos com TINA e TINACloud
Existem várias ferramentas disponíveis no TINA e no TINACloud para amplificação operacional e projeto de circuitos.
Operacional
TINAOs parâmetros de circuito desconhecidos do Modo de Otimização podem ser determinados automaticamente para que a rede possa produzir um valor de saída alvo predefinido, mínimo ou máximo. A otimização é útil não apenas no projeto de circuitos, mas também no ensino, na construção de exemplos e problemas. Observe que esta ferramenta funciona não apenas para amplificadores operacionais ideais e circuito linear, mas para qualquer circuito não linear com não linear real e outros modelos de dispositivo.
Considere o circuito amplificador inversor com um amplificador operacional real OPA350.
Pela configuração padrão deste circuito, a tensão de saída do circuito é 2.5
Você pode facilmente verificar isso pressionando o botão DC no TINACloud.
APLICAÇÃO
Analise o seguinte circuito usando o simulador de circuito online TINACloud para determinar VFora em termos de voltagens de entrada, clicando no link abaixo.
Simulação de circuitos OPA350 com TINACloud
Simulação de circuitos OPA350 com TINACloud
Se a ordem para preparar isso, devemos selecionar o destino Out = 3V e o parâmetro do circuito a ser determinado (objeto de otimização) Vref. Para este objeto, devemos também definir uma região que ajude a busca, mas que também represente as restrições.
Para selecionar e definir o destino de Otimização no TINACloud, clique no pino Vout Voltage e defina o Destino de Otimização como Sim.
Em seguida, clique no botão… na mesma linha e defina o valor como 3.
Pressione OK em cada caixa de diálogo para finalizar as configurações.
Agora vamos selecionar e definir o objeto de otimização Vref.
Clique em Vref e depois no botão… na mesma linha
Selecione Optimization Object na lista no topo e defina a caixa de seleção Optimization / Object.
Pressione OK nos dois diálogos.
Se as configurações de otimização forem bem-sucedidas, você verá um >> sinal na saída e um << sinal na Vref conforme mostrado abaixo.
Agora selecione Optimization no menu Analysis e pressione RUN na caixa de diálogo Optimization.
Depois de concluir a otimização, a Vref encontrada, o valor ótimo, será mostrada na caixa de diálogo Otimização DC.
Você pode estudar as configurações e executar a Otimização on-line e verificar por simulação de circuito usando o link abaixo.
Execute a Otimização no menu Análise e pressione o botão DC para ver o resultado no circuito Otimizado (3V)
Otimização On-line e Simulação de Circuitos com o TINACloud
Observe que, neste momento, no TINACloud, apenas uma otimização DC simples é incluída. Mais recursos de otimização estão incluídos na versão offline do TINA.
Otimização AC
Usando a versão off-line do TINA, você também pode otimizar e redesenhar circuitos CA.
Abra o circuito de passagem baixa MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC, a partir do Pasta Examples \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro da TINA, mostrado abaixo.
Execute a Análise AC / Característica de Transferência AC.
O seguinte diagrama será exibido:
O circuito tem frequência de corte Unity (0dB) e 1.45kHz.
Agora vamos redesenhar o circuito usando a Otimização AC e defina o ganho de baixa frequência para 6dB e a frequência de corte para 900Hz.
Note que normalmente a ferramenta de otimização é aplicável somente para alterações. No caso de filtros, talvez você queira usar uma ferramenta de design de filtro. Nós vamos lidar com esse assunto mais tarde.
Agora, usando Otimização, o ganho e a frequência de corte são os alvos de otimização.
Clique no ícone “Select Optimization Target” na barra de ferramentas ou no menu Analysis “Select Optimization Target”
O cursor irá mudar para o ícone: 
. Clique no pino Vout Voltage com o novo símbolo do cursor.
A seguinte caixa de diálogo será exibida:
Clique nos botões de funções da meta de AC. A seguinte caixa de diálogo será exibida:
Marque a caixa de seleção Low Pass e defina a frequência de corte Target para 900. Agora marque a caixa de seleção Máximo e defina o Destino como 6.
Em seguida, selecione os parâmetros do circuito que você deseja alterar para alcançar os destinos de otimização.
Clique na 
símbolo ou a linha Select Control Object no menu Analysis.
O cursor mudará para o símbolo acima. Clique no capacitor C1 com este novo cursor. A seguinte caixa de diálogo será exibida:
Pressione o botão de seleção. A seguinte caixa de diálogo será exibida:
O programa define automaticamente um intervalo (restrição) onde o valor ideal será pesquisado. Valor final para 20n como mostrado acima.
Agora repita o mesmo procedimento para R2. Defina o valor final para 20k.
Depois de concluir a configuração de Otimização, selecione Otimização / Otimização de CA (Transferência) no menu Análise.
A seguinte caixa de diálogo será exibida:
Aceite as configurações padrão pressionando OK.
Após um breve cálculo, o ideal é encontrado e os parâmetros dos componentes alterados aparecem:
Por fim, verifique o resultado com simulação de circuito executando Run AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
Como mostrado no diagrama, os valores alvo (Ganho 6db, Frequência de corte 900Hz) foram atingidos.
Usando a ferramenta Circuit Designer no TINA e no TINACloud
Outro método de método para projetar circuitos no TINA e no TINAcloud é usar a ferramenta Construtor de Circuitos, chamada simplesmente de Design Tool.
A Ferramenta de Projeto trabalha com as equações de projeto de seu circuito para garantir que as entradas especificadas resultem na resposta de saída especificada. A ferramenta exige uma declaração de entradas e saídas e os relacionamentos entre os valores dos componentes. A ferramenta oferece um mecanismo de solução que você pode usar para resolver de forma repetitiva e precisa para vários cenários. Os valores calculados do componente são automaticamente definidos no esquema e você pode verificar o resultado por simulação.
Vamos projetar a amplificação AC do mesmo circuito usando nossa ferramenta Circuit Designer.
Abra o circuito a partir da pasta Design Tool do TINACloud. A tela a seguir será exibida.
Agora vamos executar a AC Analysis / AC Transfer Characteristic.
O seguinte diagrama será exibido:
Agora vamos redesenhar o circuito para ter ganho de unidade (0dB)
Invoque o novo design deste circuito no menu Ferramentas
A caixa de diálogo a seguir será exibida.
Defina Ganho para -1 (0 dB) e pressione o botão Executar.
Os valores dos novos componentes calculados aparecerão imediatamente no editor esquemático, desenhado na cor vermelha.
Pressione o botão Aceitar.
As alterações serão finalizadas. Execute novamente a Análise CA / Características de Transferência AC para verificar o circuito reprojetado.
———————————————————————————————————————————————————— —-
1Esta técnica foi desenvolvida por Phil Vrbancic, um estudante da Universidade Estadual da Califórnia, em Long Beach, e apresentada em um artigo submetido ao Concurso de Prêmios do IEEE Region VI.