Projeto de um “buffer” com amplificador operacional


Embora o conceito digital esteja se espalhando cada vez mais, o mundo continua analógico. Os sensores que permitem a percepção deste mundo ainda são, na sua maioria, analógicos. Para acoplar estes sinais reais com computadores ou microcontroladores torna-se necessário amplificar, filtrar, limitar, ou seja, realizar processamentos a que chamamos coletivamente de pré-processamento do sinal.

Uma situação típica na aquisição de dados, especialmente quando estamos medindo sinais de origem biológica, é aquela onde temos associados tensões da ordem de centenas de microvolt a milivolts, com resistências internas da ordem de megaohms. Ou seja, é impossível conectar um sinais deste tipo em um conversor AD, com entrada tipica de 0 a 5 Volts e impedância de entrada de 10K ohms.

Agora, vamos estudar o comportamento de um buffer analógico construído com amplificador operacional. Um buffer analógico deve ter uma alta impedância de entrada, o que permite a ligação com fontes de sinal de alta resistência interna. Além disto deve ter baixa impedância de saída, para facilitar o acoplamento com o sub-sistema subsequente. Deve ter poder operar com sinais na ordem de microvolts a milivolts. No nosso caso específico, a componente do sinal que nos interessa é a componente alternada, de modo que considerações tais como offset de entrada não são importantes. A alimentação será realizada com uma única bateria de 9V.

Para o projeto do buffer aqui descrito, utilizamos o simulador Qucs-S, v 0.19.0, operando sob o sistema operacional Linux Mint 18.1. Não iremos entrar em detalhes sobre a operação do simulador propriamente dito, pois isto já foi realizado aqui.

Simulando o circuito utilizando o Qucs-S

Configurando o sinal de entrada

Uma pesquisa bibliográfica nos revela que o sinal que desejamos medir pode ser aproximado por um pulso com 1 ms de largura, com um intervalo de 10 ms entre os pulsos. A resistência interna é da ordem de 1 mega. Esta situação pode ser simulada no Qucs-S através da fonte Retangular com tempo alto de 1 ms, tempo baixo de 10 ms, com uma resistência em série de 1 megaohm.

Simulando a fonte de sinal

Circuito do buffer

Como só nos interessa a componente AC do sinal de entrada, devemos utilizar um capacitor em série com o sinal. Este capacitor, em conjunto com a resistência interna da fonte de sinal e dos resistores de entrada do buffer, forma um filtro passa alto.Deve ser selecionado para não distorcer o sinal por cortar as frequências mais baixas do mesmo.

O circuito completo do buffer proposto pode ser visto na figura a seguir:

Circuito do buffer com amplificador operacional

Vejamos a função de cada componente:

V2: Simula a fonte de sinal biológico, aqui modelada como um pulso de 1 ms de largura com 10 ms de repouso, tensão de pico 1 mV.

R3: resistência interna da fonte de sinal, com cerca de 1 Mohm.

C1: Capacitor de acoplamento. Deixa passar apenas as componentes AC do sinal e garante que a polarização DC do amplificador operacional não se altere com as variações do nível DC da fonte.

R1e R2: Estabilizam a polarização do operacional em 50% da tensão de alimentação. Isto faz com que o amplificador trabalhe numa região com o mínimo de distorção.

OP1: Amplificador operacional com a característica de ser alimentado com fonte simples, e com uma resposta em frequência adequada. Selecionamos o circuito MCP04.

V1: Bateria de 9 volts para alimentação.

C2: Capacitor de acoplamento com o próximo estágio. Bloqueia o DC.

R4: Resistência de entrada do próximo estágio.

Observe que temos duas malhas RC que não fazem parte do buffer propriamente dito, mas foram inseridos para facilitar a avaliação do resultado da simulação. A tensão de  saída fica no nível DC de 50% da tensão de alimentação (ou seja, fica em 4.5 V). A saída vai variar em torno de 1 mV. Não é possível visualizar um sinal AC de 1 mV superposto a um DC de 4.5 V em um gráfico na tela. Para a entrada, a rede C3-R simula uma ponta AC de um osciloscópio. Estamos filtrando (deixando passar) apenas a componente AC do sinal, que é a que nos interessa.

O que nos interessa no momento é a simulação de transiente. Queremos ver como o pulso retangular “chega” no outro lado do capacitor. Isto pode ser obtido no item “simulações” na janela a esquerda. Configure parano inicio em 0(zero)  e término em 10 ms:

Avaliação do efeito do capacitor C1 na forma de onda da saída

(para todos os experimentos o sinal de entrada é um pulso de 1 ms tempo alto, 10 ms de tempo baixo, 1mV de pico. O capacitor C2 foi fixado em 1 uF).

Para um capacitor C1 com o valor de 100 pF, temos o seguinte resultado:

C1 = 100 pF

Observe que ocorre uma distorção bastante elevada. Isto se dá devido ao corte de frequências baixas.

Para um capacitor C1com o valor de 1000 pF:

C1 = 1000 pF

Já melhorou bastante. Mas ainda pode ser melhorado.

Para um capacitor C1com o valor de 10000 pF:

C1 = 10000 pF

Já melhorou bastante. Mas ainda pode ser melhorado?

Alterando o capacitor para 100 KpF, verificamos que a melhoria já não é mais tão intensa, conforme vemos na figura a seguir:

C1 = 100KpF

E claro que poderíamos ter calculado o valor de C1, otimizando para a resposta em frequência que desejamos. Mas, até mesmo em malhas muito simples como esta, o uso do simulador é mais rápido. Lembre-se no entanto que o uso do simulador exige do projetista que ele tenha conhecimento da física do processo, para iniciar com valores mais próximos do final. O simulador não projeta para você, ele apenas avalia o seu projeto. O projetista deve realizar os cálculos preliminares e utilizar o simulador como um ajuste fino dos valores do circuito.

Observações adicionais

Todo projeto com amplificadores operacionais deve levar em consideração o desacoplamento necessário da fonte DC. Isto é realizado através de um capacitor de .1uF em paralelo com um de 10 uF ligados o mais próximo o possível do pino por onde entra a tensão de alimentação do amplificador operacional. Estes capacitores não foram inseridos no circuito a ser simulado porque não iriam alterar em nada o resultado da simulação.

Como pode-se ver, usar o simulador spice pode ser muito simples. Se teve alguma dúvida de como foi realizado algum passo use o campo de comentários.

Até o nosso próximo encontro!

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