Deseja-se amplificar o sinal de um sensor de temperatura com faixa de entrada de 0 a 100 mV e faixa desejada na saída de 0 a 5 V . Determine qual configuração de AmpOp pode ser utilizada, o ganho necessário e valores possíveis para os resistores.
Sugestão: utilizar simuladores como LTspice, Proteus ou Multisim para validar os resultados obtidos.
Passo 1
Vou organizar exatamente o que o enunciado pede e quais dados temos:
- O sensor fornece tensão de entrada na faixa de
a (ou seja, até ). - Queremos na saída uma faixa de
a . - O que é pedido:
- qual configuração de AmpOp (amplificador operacional) usar;
- qual ganho é necessário;
- valores possíveis para os resistores que implementam esse ganho.
- Observações importantes que já vêm do enunciado (não pedidas, mas relevantes): não foi dito nada sobre alimentação do AmpOp nem sobre precisão/banda. Essas coisas afetam a escolha prática do componente, então vou comentar durante a resolução.
Passo 2
Escolha da configuração (por que):
- Queremos mapear
de entrada para de saída e um nível positivo pequeno para um nível positivo maior. A configuração mais simples que preserva o sinal (mesmo polo, sem inverter sinal) e oferece alta impedância de entrada é o amplificador não-inversor. - Em um amplificador não-inversor a entrada do sensor vai ao pino
do AmpOp, evitando a necessidade de gerar deslocamento (offset) para levar a — desde que o AmpOp consiga realmente entregar na saída (ver passo sobre alimentação). - Alternativa: amplificador inversor + rede de offset. Isso funciona, mas é mais trabalhoso sem vantagem aqui. Então escolhemos o não-inversor.
Passo 3
Fórmula do ganho para amplificador não-inversor e explicação:
- Num amplificador não-inversor com o resistor
entre saída e entrada negativa ( ) e entre a entrada negativa e o terra, o ganho em malha fechada é dado por
- O que cada símbolo significa:
-
é o ganho (fator multiplicador da tensão de entrada para obter a saída). -
é o resistor de realimentação (feedback) entre saída e entrada negativa. -
é o resistor entre entrada negativa e terra (ground).
-
- Essa fórmula vem da análise clássica do arranjo com realimentação negativa: a diferença entre
e tende a zero em malha fechada ideal, levando a uma divisão entre e que fixa a relação entre e .
Passo 4
Calcular o ganho necessário numericamente:
- Queremos que a máxima saída seja
quando a entrada é . Logo
- Então o ganho desejado é
.
Passo 5
Encontrar a relação entre
e
e escolher valores:
- Partindo de
obtemos
- Agora escolhemos
dentro de uma faixa prática. Regras práticas: - Não usar resistores muito pequenos (muito consumo de corrente e carga no AmpOp) nem muito grandes (erro por corrente de polarização de entrada e ruído). Faixa comum:
a . - Valores típicos razoáveis para precisão e comodidade:
entre e .
- Não usar resistores muito pequenos (muito consumo de corrente e carga no AmpOp) nem muito grandes (erro por corrente de polarização de entrada e ruído). Faixa comum:
- Exemplos de pares que satisfazem
: -
- Comentários práticos:
- O par
é um bom compromisso: baixa impedância de entrada da rede de feedback (reduz erro por corrente de polarização) e consumo de corrente razoável. - Resistores como
começam a ficar altos (mais suscetíveis a ruído e erro por correntes de fuga), por isso prefira os valores menores se possível. - Em prática, as séries comerciais (E12/E24) podem não ter exatamente
; pode-se usar (E24), ou fazer em série para aproximar . Outra opção útil: usar um trimpot de como em série com um resistor fixo para calibrar precisamente o ganho.
- O par
Passo 6
Questões de alimentação, saturação e escolha do AmpOp:
- Para obter
indo de até é preciso que o AmpOp consiga realmente chegar a esses níveis com a alimentação disponível: - Se alimentar o AmpOp com
ou não há problema em gerar – , mas desperdício energético. - Se for alimentação simples
a (comum em sistemas digitais), então é obrigatório usar um AmpOp com entrada e saída “rail-to-rail” (capaz de chegar próximo a e a ). Caso contrário a saída não atingirá exatamente e/ou .
- Se alimentar o AmpOp com
- Offset de entrada:
- O offset do AmpOp (
) é multiplicado pelo ganho, causando erro na saída: . - Exemplo numérico: se
, o erro na saída será . Para aplicações de temperatura, isso pode ser aceitável ou não dependendo da resolução desejada. Se precisar de precisão, escolher um AmpOp de baixo offset (por exemplo microvolt-level ou usar amplificador com offset trimming).
- O offset do AmpOp (
- Corrente de polarização:
- A corrente de entrada do AmpOp multiplicada pelo paralelo equivalente dos resistores de entrada pode gerar uma tensão de erro. Mantendo resistores na faixa de
a geralmente os efeitos são manejáveis com AmpOps razoáveis.
- A corrente de entrada do AmpOp multiplicada pelo paralelo equivalente dos resistores de entrada pode gerar uma tensão de erro. Mantendo resistores na faixa de
- Banda e estabilidade:
- AmpOps têm um produto ganho-bandwidth (
). A largura de banda em malha fechada aproximada é
- Para
, se a , então . Para um sensor de temperatura, normalmente requer-se apenas alguns hertz a umas centenas de hertz, então qualquer AmpOp comum tende a servir. Se precisar de resposta rápida (kHz), verifique .
- AmpOps têm um produto ganho-bandwidth (
- Recomendações práticas de AmpOp: escolha um amplificador “rail-to-rail” (se for alimentação 0–5 V), com baixo offset e GBW suficiente. Exemplos de famílias usadas para sinais lentos e precisos: amplificadores de instrumentação ou op-amps de precisão rail-to-rail (verificar datasheet).
Passo 7
Como montar e ajustar na prática (dicas de construção):
- Siga o esquema típico não-inversor:
-
-> entrada não-inversora . - Entrada inversora
conectada à junção entre (saída -> ) e ( -> terra).
-
- Se quiser ajustar com precisão, usar um trimmer em
(por exemplo um trimpot de em série com para definir ) permite calibrar ganho. - Simular o circuito (LTspice, Multisim etc.) com o modelo do AmpOp escolhido ajuda a verificar saturação próxima aos trilhos, erro por offset, e resposta em frequência.
Passo 8
Resumo das escolhas recomendadas e números finais (práticos e fáceis de montar):
- Ganho necessário:
. - Configuração recomendada: amplificador não-inversor.
- Valores práticos de resistores (sugestões):
- opção A (compacta):
. - opção B (se preferir resistores mais altos):
. - opção C (ajustável):
e trimpot (ajustar até ).
- opção A (compacta):
- Lembrar de escolher um AmpOp rail-to-rail se a alimentação for
– , e prestar atenção a , e .
Resposta
Configuração: amplificador não-inversor.
Ganho necessário: .
Valores de resistores (exemplos práticos): ; ou
; ou
com
(trimpot) para ajuste.
Ganho necessário:
Valores de resistores (exemplos práticos):