Amplificador Operacional - Amplificador de Instrumentação

Neste texto sobre amplificador de instrumentação, veremos como o amplificador de diferenças pode ser aprimorado para coletar pequenos sinais de baixa intensidade.

No que se refere coletar/acoplar pequenos sinais de baixa intensidade à circuitos de processamento e controle, o amplificador de instrumentação é se não o melhor, o candidato mais indicado nessas horas. Há duas configurações possíveis para o amplificador de instrumentação, sendo que uma é derivado da outra.

Primeira Configuração

Seu circuito é muito intuitivo, visto que sinais por exemplo, a saída de um sensor de temperatura é de baixa intensidade, ou seja, geralmente não é "forte" o suficiente para excitar circuitos de potência ou para chaveamento. Então, o que é feito é conectar dois Amp Op's em configuração seguidor de tensão a cada uma das entradas de sinal do circuito amplificador de diferenças. Isto é feito para oferecer alta impedância de entrada, garantindo que o sinal não perca sua informação.

O circuito de um amplificador de instrumentação, é apresentado na Figura 1 a seguir.

Figura 1 - Primeira Configuração dos AOp Para Instrumentação.

No texto anterior sobre o amplificador de diferenças, foi apresentada a seguinte equação, que descreve o sinal de saída em função do sinal de entrada, expressando o ganho do circuito amplificador de diferenças.

$$\begin{equation}V_o = -\frac{R_1}{R_2}*(V_1 - V_2)\end{equation}$$

Como pode ser observado pela Figura 1, a relação funcional do circuito ainda é a mesma dada pela equação acima.

Para verificarmos o funcionamento do primeiro circuito amplificador de instrumentação, realizaremos uma simulação de um circuito com um resistor shunt. O resistor shunt é utilizado para obter uma queda de tensão em um circuito, proporcional a corrente que circula pela malha segundo a Lei de Ohm. Os resistores shunt possuem baixa resistência e alta dissipação de potência, no amperímetro digital é comum encontrar resistor shunt.

Propositalmente, a título de simulação, utilizarei um ganho de tensão unitário para o circuito e verificaremos a tensão de saída.

Será aplicado um sinal senoidal de 2,22 V de pico a um divisor de tensão contendo o shunt. O circuito de simulação, pode ser visto na Figura 2 a seguir.

Figura 2 - Esquema de Simulação.

O objetivo é fazer com que circule na malha uma corrente de pico de 2 A por um resistor shunt de 0,11 Ω, assim, pela Lei de Ohm teremos uma queda de tensão máxima no shunt de 0,22 V (tensão de pico). Note que, o sinal é consideravelmente pequeno, ele então pode ser amplificado e utilizado para excitar algum outro dispositivo. Mas, o intuito é demonstrar um exemplo teórico.

A Figura 3 a seguir apresenta o sinal de entrada aplicado ao resistor e ao shunt.

Figura 3 - Sinal de Entrada do Circuito

O sinal de tensão que deveremos obter na saída, deve ser senoidal e defasado da entrada em 180°. A imagem a seguir, apresenta o resultado obtido.

Figura 4 - Resultado de Simulação do Amplificador de Instrumentação.

Note que, o sinal se mantem de acordo com o esperado, ou seja, com valor máximo de 0,22 V. Cabe destacar que, este sinal obtido na simulação é proporcional a variação da corrente sobre a resistência shunt, ou seja, toda variação da corrente será obtida como uma variação de tensão.

Observe ainda que o sinal de saída obedece a equação:
$$\begin{equation}V_o = -\frac{R_1}{R_2}*(V_1 - V_2)\end{equation}$$
Onde o sinal de saída é defasado do sinal de entrada em 180°, caso seja invertido a entrada do sinal, ou melhor, o menos da equação entrar, teremos:
$$\begin{equation}V_o = \frac{R_1}{R_2}*(V_2 - V_1)\end{equation}$$
Isso significa que trocando a entrada de sinal, mantêm-se a fase do sinal de saída com a do sinal de entrada.

Segunda Configuração

A segunda configuração é muito similar a primeira que foi apresentada, dessa segunda configuração obtêm-se a primeira facilmente. Ao invés de utilizar dois seguidores de tensão utiliza-se dois amplificadores não-inversor. De tal modo que resulte no circuito da Figura 5 a seguir.

Figura 5 - Configuração do Amplificador de Instrumentação Segundo Tipo.

Observe que o circuito apresentado na Figura 5 é muito similar ao da  Figura 1, perceba também que os dois amplificadores de entrada são amplificadores não-inversor.

A dedução da equação do sinal de saída deste circuito não é o escopo deste texto, mas vou dar dicas. Perceba que o amplificador de saída é um simples amplificador de diferenças, então já conhecemos o resultado para este circuito. Basta agora aplicar análise de circuitos à malha formada pelos dois amplificadores não-inversor. Lembre-se nesta etapa que existe o curto-circuito virtual entre as entradas do amplificador, isto ajudará nas deduções das correntes de malha.

Finalmente, considerando os resistores do circuito da Figura 5, tem-se a seguinte equação que expressa a saída em função dos sinais de entrada.
$$\begin{equation}V_o = \frac{R_1}{R_2}*(1 + \frac{2*R_3}{RG})*(V_2 - V_1)\end{equation}$$
Essa configuração tem a vantagem de poder aplicarmos dois ganhos ao circuito, ou até mesmo um ganho controlável. Pode-se fazer combinações de resistores de modo a possibilitar ganhos mais estáveis do sinal de saída.

Agora perceba que, se $R_3$ for zero, o circuito da Figura 5 se tornará o próprio circuito da Figura 1. Ou seja, os circuitos são identicamente o mesmo.

A título de exemplo vamos realizar uma simulação contendo os mesmos dados da simulação anteriormente realizada, tensão máxima de alimentação do shunt de 2,22 V, resistência shunt de 0,11 Ω. Porém a relação entre $R_3$ e $RG$ será de $R_3 = RG/2$. Isso significa que no final, o sinal de saída terá um ganho de duas vezes. Ou seja, ao invés de 0,22 V de saída deveremos ter 0,44 V.

O circuito de simulação pode ser visualizado na Figura 6 a seguir.

Figura 6 - Esquema de Simulação Elaborado.

O sinal de entrada é o mesmo da Figura 3, já o sinal de saída é apresentado na Figura 7 a seguir.

Figura 7 - Sinal Obtido na Saída do Amplificador de Instrumentação.

Perceba que o sinal de saída encontra-se em fase com o sinal de entrada da Figura 3. Note também o ganho dado ao sinal de saída.

Estes exemplos de simulação são extremamente simples, mas as aplicações destes circuitos são inúmeras. Por exemplo, no projeto de minha fonte de bancada, projetei um circuito para controle de sobrecorrente e curto-circuito, e para coletar a amostra da corrente utilizei um circuito semelhante aos apresentados para acoplar o sinal medido ao circuito de controle. Sendo esta, apenas um dos vastos usos destes circuitos.

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Referência bibliográfica:

MALVINO, Albert Paul. Eletrônica Vol. 2. 2 ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1987. 276 p