Amplificador diferencial ou subtrator

Este circuito, ilustrado na Figura 5, tem como objetivo a amplificação da diferença de tensão entre as entradas.

Imagine que você quer passar um sinal de amplitude 5V através de um cabo e depois amplificá-lo. Se você enviar esse sinal diretamente pelo cabo, pela presença de ruídos no meio, o valor que chegará à outra extremidade do cabo não será mais 5V. Além disso, haverá uma queda de tensão pela própria resistência do cabo. A técnica utilizada nesses casos é transmitir dois sinais, onde a diferença entre eles é realmente a informação que você transmitir. Isso porque, quando sinais transitam em cabos pertos um do outro e são submetidos a ruídos de natureza aditiva, ambos os sinais tem seus valores acrescidos de ruídos. Assim a diferença se preserva.

Assim, para transmitir 5V, utilizamos dois cabos, um com 12V e outro com 7V, por exemplo. Na outra extremidade do cabo, ao medirmos as tensões, podemos encontrar, por exemplo, 11,44V e 6,423V. A diferença entre eles será 5,017V, um valor muito mais próximo do original do que 5,26V, por exemplo.

A utilização do circuito anterior possibilita a redução da presença de ruídos nos sinais amplificados já que, como eles estão presentes em ambas as entradas, não serão amplificados, “passando” apenas a diferença entre os sinais puros. Esta propriedade é chamada de rejeição de modo-comum.

A saída V₀ é calculada por:

 

Conversor D/A

Atualmente, observamos cada vez mais a presença de aparelhos digitais ao nosso redor, desde aparelhos pessoais até máquinas industriais. Eles são ditos digitais porque funcionam com sinais digitais, ou seja, níveis descontínuos de tensão. Os famosos bits, zeros e uns. Eles são representados por níveis de tensão, geralmente 5V para 1 e 0V para 0.

No entanto, o nosso mundo é analógico, ou seja, não temos níveis predefinidos para representar a temperatura, por exemplo. Os computadores trabalham com a lógica digital, sendo assim, precisamos de circuitos dedicados a transformar sinais analógicos para digitais e vice-versa. Nas leituras complementares desta aula, você encontrará fontes com mais informações tanto sobre grandezas analógicas quanto digitais.

Utilizando um circuito de amplificador somador, já apresentado anteriormente, estudaremos um conversor D/A (digital para analógico) com sinal de entrada de 4 bits. Para isso, cada bit será ligado à entrada do amp-op, através de um resistor com valor de resistência único e de forma que ao somarmos todas as tensões o resultado tenha apenas uma combinação de bits possível.

O bit menos significativo (B₀) terá peso 1, o segundo (B₁) 2, o terceiro (B₂) 4 e o quarto (B₃) 8.

Para que tenhamos os pesos mencionados no circuito, deveremos atribuir a maior resistência ao bit menos significativo, e progredir dividindo o valor da resistência pela metade para os bits seguintes. Dessa forma, podemos atribuir os seguintes resistores para cada bit: R₀=8KΩ, R₁=4KΩ, R₂=2KΩ e R₃=1KΩ. Com isso, o bit B₀, quando ativo, contribuirá com uma corrente de 1/8 quando comparada com a do bit B₃, exatamente como foi especificado. O circuito completo está ilustrado na Figura 6.

O valor de resistência do R_f é tipicamente igual ao do resistor ligado ao bit mais significativo, nesse caso o R₃ = R_f = 1KΩ. Com esse valor, obtemos uma curva de tensão de entrada com uma boa linearidade e ganho, facilitando a determinação de quais bits estavam ativos e minimizando a possibilidade de erros. A saída V_out pode ser obtida pela equação:

Onde, neste exemplo, V_in = 5V. É importante notar que quando um bit de entrada for nulo a tensão naquele resistor será zero. Por isso, a componente do R_eq referente àquele bit não estará presente no cálculo. Para esclarecer, calcularemos a saída V_out para a entrada do número 3.

O primeiro passo é transformar o número para binário, que nesse caso é 0011. Observe então que apenas os resistores R₀ e R₁ estarão alimentados pela tensão de 5V e, portanto, presentes no cálculo do R_eq. Calculamos, então, a resistência equivalente:

Lembre-se de que esse cálculo de R_eq para resistores em paralelo, através da divisão do produto pela soma só é válida para o caso de dois resistores. A partir de 3, é necessário resolver o somatório do inverso das resistências. Ao invés de calcular o valor de R_eq separadamente, poderíamos ter calculado o somatório já na fórmula do V_out, a escolha do procedimento de resolução fica a seu critério.

Agora, substituímos o valor calculado de R_eq na equação do V_out:

Então, agora sabemos que a tensão de 1,875V na saída desse circuito representa o número 7 da entrada digital. Durante o cálculo atente para as unidades dos valores utilizados.