Projeto de um amplificador para sinais biológicos – II


Dando continuidade ao projeto do amplificador de sinais biológicos, o próximo passo é a determinação dos valores dos componentes do buffer de entrada. A função deste buffer é apresentar uma alta impedância de entrada para o sinal e uma baixa impedância de saída para excitar o estágio subsequente. Desta forma não sobrecarregamos a fonte do sinal. O buffer deve ser capaz de manipular toda a extensão do sinal de entrada sem clipar ou realizar outras distorções sobre o sinal de entrada.

Como uma das características de nosso circuito é a alimentação com fonte única (os amplificadores operacionais trabalham bem mais a vontade com fontes duplas, positiva e negativa 🙂 ), temos que polarizar a entrada positiva do operacional com uma tensão igual à metade de Vcc. Como estes resistores são a carga vista pelo sinal, inferimos que os resistores de polarização devem ser iguais entre si, e com um valor de cada um de 10 Mohms. O paralelo de ambos, que é como a fonte de sinal vê a malha em série, resulta em um valor de 5 Mohms, correspondente ao valor previsto no experimento anterior.

Quanto maior o valor da impedância de entrada de um buffer, menor a carga que ele apresenta à fonte de sinal e melhor é o projeto. Mas existem limites práticos para se aumentar o valor dos resistores de polarização. Quanto maior o resistor maior o ruído, o desvio devido à corrente de offset do operacional aumenta, e, por último mas não menos importante, adquirir no comercio “hobysta” valores maiores de 10 Mohms não é muito simples. Daí escolhemos este valor para compor o divisor resistivo.

O circuito do buffer, inserido na frente do capacitor de acoplamento visto anteriormente, fica o seguinte:

Resposta com C2 10 nF

Utilizamos inicialmente na saída o mesmo valor valor de capacitor (10 nF) que utilizamos no circuito de entrada. A diferença das impedâncias que estão sendo alimentadas pelos capacitores é muito grande. O capacitor de entrada vê uma impedância de 5 Mohm, o de saída vê  uma impedância de 10 Kohm. Isto resulta numa frequência de corte totalmente inadequada para os nossos propósitos, conforme podemos ver no gráfico com a resposta em frequência, apresentado na parte inferior da figura.

Vamos aumentar o capacitor C2 para 100 nF. Veja o resultado:

Resposta com C2 100 nF

Melhorou, mas ainda não o suficiente. Vamos agora experimentar com um capacitor de 1 uF.

Resposta com C2 1 uF

Esta curva nos atende suficientemente bem. Podemos passar para o projeto dos pré-amplificadores de ganho 10 cada um!

Projeto dos pré-amplificadores de ganho 10

Vamos utilizar dois amplificadores operacionais na configuração de amplificador inversor. O resistor de entrada assume o valor de 10K e o resistor de realimentação assume o valor de 100K. Após o primeiro estágio o circuito fica da forma apresentada a seguir. Observe que a amplitude do sinal de saída foi multiplicada por dez em relação ao valor obtido sem o uso deste estágio amplificador.  Na parte inferior, o gráfico mostra como fica o ganho em função da frequência.

Resposta com amplificação x10

 

Inserindo um segundo amplificador inversor com as mesmas características do primeiro, atingimos o ganho 100, com uma resposta em frequência ainda adequada:

Resposta com amplificação x100

Calculando os níveis de tensão DC

Quando estamos verificando os protótipos de circuitos eletrônicos, ou mesmo na manutenção de circuitos já validados, é sempre interessante dispormos dos valores de tensões nos diferentes pontos do circuito. Isto nos permite uma avaliação rápida com um voltímetro, o que pode nos mostrar um mal contato, um curto ou outra situação que pode estar impossibilitando a operação do sistema.

O Qucs nos fornece uma operação que apresenta na tela os níveis de tensão de todos os pontos. Com estes dados podemos utilizar um voltímetro e verificar o correto funcionamento.

Para calcular os valores DC de cada ponto no Qucs basta pressionar F8. O valor será apresentado na tela. Observe que pode ocorrer a superposição dos textos, o que irá dificultar a legibilidade. Nada que um rearranjo na posição dos componentes não resolva.

Calculando a resposta transiente

Até agora calculamos a resposta a sinais senoidais de frequência variável e o nível DC. Como sinais biológicos podem possuir uma forma de onda na forma de pulsos, é interessante conhecermos a resposta a transientes ao nosso circuito. Para isto vamos substituir a fonte de sinal senoidal por um sinal retangular, de 1 ms de tempo alto com 10 ms de tempo baixo, e substituiremos a simulação AC pela simulação transiente.

No menu “Fontes” do Qucs identifique a opção “Rectangle Voltage” e a arraste para o esquema. Apague a onda senoidal. Apague o gráfico e a fonte senoidal do esquema. Apague o bloco “Simulação AC” e substitua por um bloco “Simulação de Transiente”. Configure a simulação para atuar de 0 a 25 ms. A tensão de pico faça igual a 1 mV. A sua tela deve estar na forma aproximada da figura a seguir:

Simule, pressionando a tecla F2 . Como não temos nenhum gráfico definido, apenas uma tela em branco será apresentada. Crie um gráfico através do menu Diagramas/Cartesiano à esquerda, e arraste o bloco do gráfico para a página do esquema.

O resultado está adequado para nossas necessidades. Agora vamos partir para o  projeto do filtro passa baixo. Assunto para nosso próximo encontro!

 

 

 

 

 

 

 

 

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