Capítulo 027

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Aplicações dos amplificadores 
Operacionais
Com a implantação dos circuitos integrados os amplificadores operacionais passaram a ocupar um dos primeiros planos no mundo da eletrônica. Podemos construir somadores, subtratores, inversores, integradores, etc. Também há outros tipos de aplicações para os A.O., como os filtros ativos, conversores A/D ou D/A, amplificadores de corrente, de tensão, etc. 
Passos de um amplificador operacional
Já sabemos as características mais importantes de um amplificador operacional, amplificação notável da tensão, impedância muito grande de entrada, muito pequena de saída, etc.; e também conhecemos algumas das suas aplicações, como somadores, subtratores, inversores, etc. Pois bem, é o momento de ver que há dentro desse "triângulo" com o que representamos o amplificador operacional. Um A.O. está formado por um conjunto de transistores, resistores, capacitores que, unidos corretamente, são capazes de cumprir as características que vimos. A maioria dos A.O. que se usam empregam uma configuração em cascata, sendo os mais usuais os amplificadores operacionais de duas etapas, e se denominam assim porque, embora realmente constem de quatro etapas, só duas delas contribuem ao ganho de tensão total, que é o mais importante dentro de um amplificador. As quatro etapas das que constam são: amplificador diferencial, etapa de ganho, deslocador de nível e seguidor de emissor. 
O amplificador diferencial se emprega como etapa de entrada e com ele se conseguem muitas características das requeridas por um amplificador operacional, como são as duas entradas de sinal oposto, a grande resistência de entrada e o ganho de tensão. 
A etapa seguidora de emissor é a última e nos proporciona a baixa resistência de saída que necessitamos. 
O deslocador de nível é o encarregado de ajustar as tensões em contínua de forma que a tensão de saída faça referência à terra. E, por último, a etapa de ganho serve para conseguir um grande ganho aumentando o conseguido com o amplificador diferencial, dedicando-se apenas a isto, isto é, a aumentar o ganho.
 O amplificador operacional como é a etapa de entrada, também é o encarregado de relacionar o A.O. com o resto do circuito de entrada e há vezes que é necessário obter menos ganho com ele a fim de conseguir que o acoplamento com o resto seja o mais adequado. 
Podemos encontrar amplificadores operacionais de três etapas: uma etapa de entrada formada por um amplificador diferencial e duas etapas de ganho, ao invés de uma que tínhamos antes. O resto é como o amplificador operacional de duas etapas. 
Outro tipo é o amplificador operacional de etapa única, no que se suprimem as etapas de ganho e só consta da etapa de amplificador diferencial, o deslocador de nível e a etapa de saída. 
Nos circuitos que formam 
um amplificador operacional se usam transistores BJT, mas também podemos usar MOS. Estes se usam quando queremos circuitos integrados a grande escala. Os circuitos mais típicos que usam MOS são os conversores analógicos (A/D) e digital (D/A). Embora atualmente não se usem muito os amplificadores operacionais com MOS dado que têm qualidades inferiores aos que levam BJT. 
Circuitos com amplificadores operacionais 
Com os amplificadores operacionais podemos formar circuitos com inumeráveis vantagens, entre as que se encontram os conversores A/D e D/A e os filtros. 
Como já vimos, uma das propriedades mais importantes dos A.O. é a amplificação da tensão de entrada que se obtém à saída.
Pois bem, com um circuito apropriado formado por um A.O. podemos conseguir que essa amplificação da tensão varie dentro de uns certos limites, obtendo mais ou menos tensão conforme necessitemos. Outro efeito que podemos conseguir com um circuito com amplificador operacional é que a corrente entre dois pontos seja constante, independentemente do resistor que coloquemos entre eles. Também podemos conseguir uma intensidade de saída proporcional à de entrada, sem importar a resistência de carga que coloquemos à saída do circuito. 
Comparadores
Com um amplificador operacional é possível construir um circuito denominado comparador. Como o seu nome indica, serve para comparar tensões variáveis com uma tensão que temos fixa como padrão. Estes circuitos estão constituídos por um amplificador operacional que não está realimentado, na entrada positiva colocamos a tensão padrão e na entrada negativa a tensão que queremos comparar, sabemos que a saída vai ser de uma forma ou outra dependendo de que a amostra seja maior ou menor que o padrão. Se colocamos dois diodos zener em oposição na saída conseguiremos limitar uns poucos volts a tensão de saída e com isso que a resposta seja mais rápida ao aproximar-nos aos limites. 
Uma forma de melhorar um circuito 
comparador é com uma realimentação mas, ao invés de à entrada negativa como fazíamos sempre, à positiva; com o qual se consegue que o circuito seja muito mais insensível ao ruído.
 Os comparadores são muito usados para converter sinais digitais em analógicos e vice-versa. 
Filtros ativos
Como já sabemos, entre as características que determinam um sinal elétrico se encontra a frequência. Em muitos casos, na prática, através de um circuito, pode passar mais de um sinal elétrico, isto é, podem passar sinais elétricos com distintas frequências; no entanto, se pode dar o caso de que em determinadas circunstâncias nos interesse única e exclusivamente um dos sinais que podem circular pelo nosso circuito. Esta "seleção" de um sinal elétrico conforme a frequência que tenha é o que fazem os filtros. 
Ao princípio, os filtros estavam compostos apenas por elementos passivos, isto é, resistores, capacitores e indutores. No entanto, a aparição do amplificador operacional trouxe consigo uma melhora notável na fabricação dos filtros, dado que se pôde prescindir dos indutores. A melhora conseguida com a mudança de indutores por amplificadores operacionais é apreciável no que se refere à resposta, aproveitamento da energia (menor dissipação), tamanho e peso, dado que os indutores não se podem integrar num circuito e, portanto, são elementos discretos com um tamanho considerável. Como desvantagens destes filtros (filtros ativos RC) perante os filtros fabricados com elementos passivos (filtros RLC) estão as limitações nos níveis de tensão e corrente e os efeitos parasitas induzidos pelos elementos ativos, como por exemplo a tensão de deslocamento em corrente contínua à saída, a corrente de polarização na entrada, etc. No entanto, na maioria das aplicações que se dão aos filtros, as vantagens dos filtros ativos RC sobre os passivos RLC são mais numerosas; daí que estejam obtendo uma importância cada vez maior no campo da engenharia. 
Os filtros ativos são circuitos compostos por resistores, capacitores e amplificadores operacionais, cuja finalidade é deixar passar através deles as frequências para as que foram desenhados, eliminando portanto o resto das frequências que não interessam. Isto se consegue atenuando ou inclusive chegando a anular aquelas cuja frequência não está na margem de frequências admissível. 
Existem basicamente quatro tipos de 
filtros, que são: filtros passa-baixa, passa-alta, passa-banda e filtros supressores de frequências. 
Os filtros passa-baixa são aqueles que 
permitem a passagem das frequências baixas.
Os passa-alta, pelo contrário, só permitem a passagem de frequências altas através deles. 
Os filtros passa-banda que apenas permitem a passagem de um determinado intervalo de frequências. Este intervalo dos filtros passa-banda evidentemente dependerá dos elementos utilizados na sua construção e portanto se poderão selecionar conforme seja mais conveniente. 
Os filtros supressores de frequências (Trap), como o seu nome indica, são capazes de atenuar ou inclusive eliminar frequências concretas. 
O uso dos filtros se incrementouconsideravelmente nestas duas últimas décadas até o ponto de existir volumes inteiros dedicados a eles. 
Como amostra podemos ver um filtro ativo passa-banda básico. Os valores dos capacitores e dos resistores, assim como as características do amplificador operacional utilizado são as que vão determinar a margem de frequências que podem passar pelo filtro. 
 
Circuitos analógicos e digitais
O campo da eletrônica se pode dividir em dois grandes grupos. Por um lado está a eletrônica analógica e por outro a eletrônica digital. Antes de vermos as diferenças entre ambos, vejamos que se entende por analógico e digital.
 
Como na eletrônica, os relógios se podem dividir em dois grupos: relógios analógicos (ou de ponteiros) e relógios digitais (os de tela de cristal líquido). A diferença entre ambos é evidente; enquanto nos analógicos o movimento dos ponteiros ao longo do tempo é "contínuo", nos digitais a cada período de tempo se produz uma mudança "brusca e concreta" na tela. Mas por que dar maior importância a esta diferença se à primeira vista não parece terem nenhuma aplicação interessante? Pois bem, quem pense isso está muito enganado, pois a digitalização dos sinais elétricos é a base do funcionamento de muitos equipamentos eletrônicos novos, por exemplo, os computadores, os novos equipamentos musicais como o CD (compact disc) e as fitas de áudio digitais. A principal diferença entre sinais analógicos e sinais digitais é que com os digitais se pode "tratar" informação facilmente ao passo que com os analógicos não existe tanta precisão e além disso se poderia chegar a perder informação. 
Vejamos um exemplo para poder entender 
esta qualidade dos sinais digitais esta
qualidade dos sinais digitais. Pensemos no código morse. Este é um sistema de enviar informação baseado na digitalização de sinais. Aqui dispomos de dois tipos de sinais perfeitamente diferenciados: o ponto e o traço. O ponto consiste na emissão de um assobio com uma duração muito curta (aproximadamente um décimo de segundo) ao passo que o traço consiste nesse mesmo assobio mas soando um tempo algo mais prolongado (aproximadamente três décimos de segundo). Pois bem, definindo previamente um código (conhecido com o nome de código morse) onde se designa uma letra por cada combinação de assobios assim por exemplo a letra "S" se representa por três assobios rápidos, ou pontos e, no entanto, a letra "K" se representa por um traço, um ponto e um traço) temos um método de poder mandar informação. Portanto, para mandar informação mediante o código morse não temos mais que emitir uma seqüência tão longa quanto queiramos de pontos e traços, à espera de que o receptor da nossa sequência seja capaz de traduzi-los (decodificá-los corretamente). Isto é o morse e está baseado em que existem apenas dois tipos de sinais: o ponto e o traço. Pensemos agora que não existisse essa diferença tão clara entre cada sinal, isto é, que um durasse certo tempo e outro durasse um tempo ligeiramente superior. Isto corresponderia aos sinais analógicos ou contínuos, onde dois sinais distintos podem ser praticamente indistinguíveis. Neste caso seria impossível poder estabelecer um código e, portanto, mandar informação. Assim pois podemos concluir que os sinais digitais permitem a codificação da informação de uma forma simples e segura ao contrário dos analógicos. 
A digitalização dos sinais elétricos é de vital importância em todo instrumento dedicado ao tratamento da informação: rádio, televisão, computadores, calculadoras, etc. E este é o campo que agora abrange a eletrônica digital. Vejamos agora qual é a diferença entre um sinal elétrico analógico e uma digital. 
Um sinal elétrico analógico é o que estivemos vendo até o momento, isto é, um sinal que em cada instante de tempo pode tomar qualquer valor variando de uma forma contínua. Graficamente este tipo de sinal está representado por uma curva contínua. 
Pelo contrário, um sinal digital é aquele que não pode tomar qualquer valor, somente os valores possíveis a tomar são "uns poucos bem definidos". Graficamente se representam por traços retos, como escalas. A importância desta diferença é que, como já vimos com o exemplo do morse, com sinais digitais se pode codificar a informação e portanto mandá-la através de qualquer condutor elétrico. 
Conversores A/D e D/A
 O tratamento da informação mediante circuitos eletrônicos é muito mais preciso, fiável e com um maior número de possibilidades quando se realiza com sinais digitais (ou discretos) que quando se utilizam sinais analógicos (ou contínuos). Não obstante, na natureza os fenômenos físicos costumam originar sinais analógicos. É preciso, portanto, quando se quer trabalhar com sinais digitais, converter os sinais analógicos a digitais ou vice-versa. Pensemos, por exemplo, nas transmissões telefônicas modernas. Quando uma pessoa fala através de um telefone, a sua voz faz vibrar a membrana do microfone do aparelho telefônico. Estas vibrações da membrana do microfone do aparelho produzem uns sinais elétricos "analógicos". Para poder enviar nitidamente estes sinais a qualquer distância, é preciso convertê-los em sinais digitais, dado que os digitais são mais facilmente "entendíveis" pois possuem menos ruído que os analógicos. Uma vez enviados ao destino, os sinais digitais são convertidos de novo em sinais analógicos que são os que fazem vibrar a membrana do alto-falante do aparelho telefônico que está recebendo o sinal. Vemos pois que, como nas comunicações telefônicas, em muitas outras aplicações, se torna necessária a existência de dispositivos capazes de transformar sinais analógicos ou sinais digitais e vice-versa. Os primeiros aparelhos recebem o nome de conversores analógico-digitais (ou conversores A/D) ao passo que os segundos são os conversores digital-analógicos (ou conversores D/A). 
Com um amplificador operacional podemos conseguir um circuito capaz de transformar um sinal analógico de entrada num sinal digital de saída. Um circuito básico conversor A/D está formado por três etapas. Na primeira usamos um integrador que é um circuito formado também por um amplificador operacional. Na segunda etapa um circuito comparador, também formado por um A.O. E a última é a chamada etapa de saída. Conforme a entrada que chegue ao comparador vamos obter uma saída ou outra, conseguindo digitalizar a entrada. 
Com os amplificadores operacionais também podemos converter um sinal digital num analógico, isto é, converter um número de impulsos num sinal contínuo. Para realizar isto temos que usar um integrador, formado por um A.O. e um capacitor, ao que lhe vão chegando os impulsos. A tensão à saída do capacitor se incrementa cada vez que chega um impulso. Depois de atravessar o circuito integrador obtemos um sinal analógico à saída. 
Adaptado do “curso de eletrônica” da Editora F&G S.A (1995)
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Com um comparador podemos saber a tensão de entrada, Ve, comparando-a com a tensão padrão.
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Em um filtro supressor de frequências (TRAP), as frequências compreendidas entre f1 e f2 são as únicas que não passam.
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Conversor digital-analógico (D/A).
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O amplificador diferencial é uma partemuito importante dentro de um amplificador operacional.
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Esquema de um filtro passa-banda.
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Conversor analógico-digital (A/D).
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Por um filtro passa-banda só passam as frequências compreendidas entre f1 e f2.
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Um filtro passa-baixa só permite a passagem de sinais com frequências menores que f1.
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Um filtro passa-alta só permite a passagem de sinais com frequências maiores que f1.
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Graças à invenção do morse se pôde mandar informação à distância por primeira vez.
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Placa integrada que contém um conversor D/A.
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Elementos quotidianos como os relógios de pulso nos mostram as diferenças entre analógico e digital.