EL413 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA II ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 6: AMP OP AMPLIFICADORES COM GANHO AJUSTÁVEL

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1 EL413 LABOATÓIO DE ELETÔNICA ANALÓGICA II ENGENHAIA ELÉTICA LABOATÓIO N O 6: AMP OP AMPLIFICADOES COM GANHO AJUSTÁVEL ESUMO: O rcess de ajuste é necessári devid à tlerância que s cmnentes eletrônics aresentam. Técnicas inadequadas u esecificações incrretas ds cmnentes de ajustes dem trnar rcess de ajuste extremamente imrecis e cansativ. I - AJUSTE FINO A recisã ds circuits cm Am O deende da recisã ds cmnentes assivs, cm resistres e caacitres, instalads externamente a Am O. Os resistres fabricads atualmente aresentam excelente recisã, melhr que 1%, e ba estabilidade térmica, melhr que 25 m/k. Os caacitres, n entant, aresentam menr recisã, tíic 5%, além de menr estabilidade térmica. O ceficiente térmic da caacitância de ser sitiv (P), negativ (N) u arximadamente zer (NPO). Trimt Em alicações que requerem recisã, é cmum utilizar TIMPOT (tenciômetr de ajuste 3/4 de vlta e multi-vltas) ara ssibilitar AJUSTE FINO d circuit. Este trimt deve ser esecificad cm menr valr hmic ssível ara arveitar tda excursã ssível d cursr e facilitar rcess de ajuste. Baix valr de resistência cntribui ara diuir a deriva térmica da resistência, vist que s trimts nã ssuem ba estabilidade térmica cm s resistres "metal film". O cnjunt "trimt em série cm resistr " deve cbrir, na medida exata, tda faixa de variaçã da resistência necessária ara cmensar as tlerâncias ds demais cmnentes. Para uma esecificaçã mais recisa é necessári um cálcul de ir cas nde sã btids s valres máxims e mínims, máx e mín. -. máx. mín mín. Figura 1- Trimt de Ajuste Num cálcul ráid, dems adtar =.9 N e =.2 N, ara uma faixa de ajuste de ±1%, u, =.8 N e =.4 N, ara uma faixa de ajuste de ±2%. N (nal) é a resistência calculada cm s valres nais ds demais cmnentes. Faixa de ajuste ±1%.9 N.2 N ±2%.8 N.4 N Quant mair a tlerância ds demais cmnentes, mair será valr hmic d trimt, e mais difícil será rcess d a- juste fin. Técnicas de ajustes Um trimt 3/4 de vlta e uma ba técnica de ajuste de aresentar resultads melhres que um trimt multivltas assciada a uma éssima técnica de ajuste. EXEMPLO: esquema aresentad na Figura 2 utiliza uma técnica incrreta ara rduzir uma tensã entre -75mV e +75mV, u seja, uma faixa de ajuste de 15mV, a artir de uma tensã alimentaçã fixa de ±15V. UNIFEI-IESTI Kazu Nakashima kazu@unifei.edu.br

2 2 ELT413 - Labratóri N 6 AmO - Amlificadr cm ganh ajustável Utilizand um tenciômetr ¾ de vlta (27º) ângul de ajuste será de aenas 1,35º u seja, utilizarems aenas,5% da faixa de ajuste d tenciômetr. Mesm utilizand trimt de 15 vltas, será muit difícil ajustar a tensã devid à baixa sensibilidade d trimt, 2V/vlta. Para ajustarms uma faixa de 15mV, utilizarems s mesms,5% da faixa de ajuste, u seja, aenas,75 vltas d trimt (u a- enas 27º). Esta técnica, melhr que a anterir, ainda nã é uma ba sluçã. Qualquer alteraçã, seja na fnte de alimentaçã, seja nas resistências, deslcaria a faixa de ajuste fra da faixa desejada (5mV a cada 1V de assimetria em Vcc e 75mV a cada 1% de assimetria nas resistências) Uma equena variaçã de 1% na resistência, cm indicada na Figura 4(a), u uma variaçã de 5% em uma das fntes de alimentaçã, cm mstra a Figura 4(b), imssibilitaria ajuste na faixa desejada. +15,75V 1kΩ 15Ω 15Ω...15mV mV Figura 2 - Faixa de ajuste de 3V. 15, Pdems melhrar a faixa de utilizaçã d trimt se adicinarms resistres limitadres e diuirms valr ôhmic d trimt, cm mstra a Figura 3. Variand trimt 3/4 de vlta de batente a batente (27 ), cnseguims a mesma faixa de ajuste de 15mV cm uma sensibilidade 1 vezes mair que a técnica anterir. Figura 4 - Faixa de ajuste de 15mV A melhr técnica, aresentada na Figura 5, cnsiste na utilizaçã de um divisr resistiv na saída d tenciômetr cnvencinal 3/4 de vlta. 1 1 V = Vcc Vcc V Vcc 2 15Ω 3/4 Vlta 15Ω 1kΩ 3/4 Vlta P 1kΩ 3/4vlta = 2 V = 75Ω 1 Figura 3 - Faixa de ajuste de 15mV Figura 5 - Melhr Técnica de Ajuste (Divisr esistiv) Cm esta técnica cnseguims a faixa de ajuste de ±75mV cm uma tlerância de a- rximadamente ±7% (rvcad ela tlerância de ±5% em uma das fntes de ali- UNIFEI-IESTI Kazu Nakashima kazu@unifei.edu.br

3 ELT413 - Labratóri N 6 AmO - Amlificadr cm ganh ajustável 3 mentaçã e ela tlerância de ±1% nas resistências). A faixa de ajuste garantida é de 14mV (-7mV...+7mV), cnsiderand s limites de (-8mV...+7mV) e (- 7mV...+8mV). Este circuit aresenta também uma menr sensibilidade à deriva térmica. S Vcc = 1 / 2 =. 5mV/V de Vcc cntra s 5mV/V ns circuits 2 e 3, cm s valres de resistências indicads. fix Cntud, é ba rática evitar a utilizaçã de trimts de ajuste, elas seguintes razões: Trimt de ba qualidade é car Qualquer trimt que de ser ajustad, de, e rvavelmente será, desajustad. Um métd de ajuste fin, sem a utilizaçã de trimt, cnsiste em instalar um resistr révi fix, mair que máx, e diuí-l através de utr resistr x a ser instalad em aralel. Este resistr extra x de ser deterad exerimentalmente através de um tenciômetr auxiliar u calculad em funçã da relaçã "medid/desejad". Fix X = medid -1 Fix desejad Máx FIXO X AJUSTE Figura 6- Fix Paralel es binári Um terceir métd cnsiste em reinstalar resistres cm es binári que serã retirads d circuit aós mediçã da saída. Estes resistres (, 2, 4, 8) sã instalads em série à u em aralel à fix. 2 4 << O FIXO 2 >> FIXO 4 Figura 7- Pes Binári Quant mair númer de resistres, mair númer de bits, mair será a recisã alcançada. A cmbinaçã binária ermite bter seguinte númer de valres N N Ste = (2-1) Para ajuste fin cm resistres em série, - = n 2-1 Para sistema de ajuste cm resistres em aralel, fix n 2-1 = (n-1) 2 fix - n fix = Para três bits, n=3, (n-1) 2 4 UNIFEI-IESTI Kazu Nakashima kazu@unifei.edu.br

4 4 ELT413 - Labratóri N 6 AmO - Amlificadr cm ganh ajustável Obs.: s n resistres deverã ser esecificads cm valres da série E24 mais róxim ssível ds valres calculads a artir d valr de, evitand acumular err em cascata. Exeml, se =11,245Ω =11,245Ω 11 u 12Ω, 2=22,49Ω 22Ω, 4=44,98Ω 43 u 47Ω, 8=89,96Ω 91Ω, Esecificaçã ds Cmnentes Durante rjet d circuit eletrônic, s cmnentes assivs devem ser esecificads na seguinte rdem: 1-Caacitres 2-Trimt u tenciômetr 3-esistres. uma vez que é muit mais fácil encntrar resistr cm valr cmercial róxim d valr calculad. Para resistres sã 24 valres de dis dígits (série E24 da IEC-63) u 96 valres de três dígits (série E96 ara resistres de 1%), ara trimts sã aenas 6 valres (série E6) e ara caacitres sã 6 valres (série E6) u 12 valres (série E12) ara caacitres de mair recisã. II CICUITOS AJUSTÁVEIS Ns circuits ajustáveis tenciômetr de ajuste deve ser esecificad de frma que a faixa de ajuste ultraasse 1% a faixa de ajuste desejada. Estes 1% sã necessáris ara cmensar a tlerância ds demais cmnentes. O rcediment de cálcul é semelhante a utilizad anterirmente. Calcular máx e mín e esecificar resistr fix mín e tenciômetr (máx ). DIVISO DE SAÍDA Ns circuits eletrônics industriais cm amlificadres eracinais, ajuste d ganh, tems u histerese é feit através de um divisr resistiv instalad entre teral de saída d Am O e a linha de terra (GND). A faixa de ajuste é deterada ela relaçã entre tenciômetr e resistr fix, FAIXA DE AJUSTE= ( / +1):1 F (1 α) α. V O ( / ):1 ( α) V O S α Max P α Min O Figura 8- Circuits AmO Ajustáveis Este métd de ajuste aresenta duas vantagens: Evita-se a utilizaçã de resistres cm valres alts de resistência, que, cm sabems, resistência alta trna circuit suscetível a ruíds e interferências. Cnseguims imlementar diverss amlificadres, cm diversas faixas de ajuste, utilizand semre mesm cnjunt tenciômetr-resistr (4,7kΩ-47Ω). Nã recisarems manter muits valres de tenciômetr em estque; manterems mair estque de resitres, que é mais fácil e barat. UNIFEI-IESTI Kazu Nakashima kazu@unifei.edu.br

5 ELT413 - Labratóri N 6 AmO - Amlificadr cm ganh ajustável 5 III - BALANCEAMENTO DE PONTE Pnte de resistências, utilizad em instrumentaçã, necessita de equens ajustes ara cmensar a diferença de resistência existente entre s elements da nte. x E +1V A rimeira sugestã ara rver balanceament da nte é mstrada na Figura 9, nde tenciômetr é adicinad dentr da nte ara equalizar as resistências. + E - Se s resistres frem de 12Ω±1%, u seja, 12Ω±1,2Ω, será necessári um tenciômetr de el mens 4,8Ω ara equalizar s dis lads da nte. Digams um tenciômetr de 5Ω/15VOLTAS. E +1V + E - 12Ω = 5 Ω /15Vltas Figura 9- Métd Incrret de Balanceament da Pnte de Mediçã Uma técnica melhr de balanceament, utilizada ela mairia ds fabricantes, é a- resentada na Figura 1. O ajuste é feit através de um simles tenciômetr3/4 de vlta e a sensibilidade de ajuste deterada ela relaçã x/=x, u seja, el resistr x. Quant mair a recisã ds resistres da nte, mair valr de x e menr a faixa de ajuste ± E necessária. O tenciômetr r sua vez deve aresentar uma resistência menr u igual que resistr x. P = (,1 a 1,) x. Figura 1- Balanceament de Pnte. ± T% x x ± E 1 E 4.x 25 T Tabela 1- Exeml ara =1Ω e E=1V T% x x ± E ±1% 25 2,5k 98mV ±,5% 5 5,k 5mV ±,1% 25 25k 1mV Em utras alavras, ara =1Ω e E=1V, uma resistência x de 2,5kΩ ermite cmensar um desbalanç na nte de até 2mV enquant que uma resistência x de 25kΩ de aenas 2mV. IV- EXEMPLOS A Figura 11 aresenta alguns exemls de circuits ajustáveis. Observe sicinament d teral e d teral 1 d tenciômetr. Nestes circuits, a histerese, ganh de tensã e tem de integraçã, aumentam a girarms eix d tenciômetr n sentid hrári. UNIFEI-IESTI Kazu Nakashima kazu@unifei.edu.br

6 6 ELT413 - Labratóri N 6 AmO - Amlificadr cm ganh ajustável V 1 V 2 a) n n 1 AMPLIFICADO DIFEENCIAL DE GANHO AJUS- TÁVEL V 1 V m m (1 α)v V s ZS V Z V 1 V 2 ZO α.v Vi c) b) 1 n Av =, = = k 1k 9k1 91k k7 Figura 12- Amlificadr Diferencial cm ajuste de ganh (san) e ajuste de zer. m V = ( V2 V1 ) α 1 V = m V V + V + + m V + m I α α B = (1 + m) [ ( ) (1 ).. ] 2 1 Z i i m = Av = α V = ± mv. ± (1 + m) V ± m.. I Z i( Off Set) i i V Faixa de Ajuste = ( / + 1) :1 ( / ) :1 Vi d) 1k α.v 47 1 V 4k7 Prjet O rimeir element a ser esclhid é tenciômetr. = ( + + ) S P O = 2, 2 k...22kω Figura 11- a) Cmaradr cm histerese, b) Cmaradr cm histerese inversr c)amlificadr inversr, d)integradr = ( α α ).(2k kω) P P máx =...,1k, 1k5, 2k2, 3k3, 4k7, 6k8,.. UNIFEI-IESTI Kazu Nakashima kazu@unifei.edu.br

7 ELT413 - Labratóri N 6 AmO - Amlificadr cm ganh ajustável 7 esclhid = ( α α ) = ( α ). Esclher valr menr mais róxim. teir Uma vez que s dis resistres de entrada deteram a resistência de entrada d circuit, = in S = (1 α ). =1kΩ Esclher valr menr mais róxim. A máxima resistência equivalente d divisr resistiv, eq, vist através d cursr d tenciômetr crre quand α =,5 eq, 25. A resistência de realimentaçã f, deve ser muit mair que a resistência e- quivalente eq. Se a recisã de f é crítica, devems esecificar f cm f 25. e q 1% f 5. e q,5% f 125. e q.2% f 25. e q.1% Exeml Av=5...2 in 1kΩ Vi(Off Set)=±2mV LF351 Vi=±5mV Ii=±,1nA f f f f Circuit de m máx =A v m máx.=5.1kω=5mω Mas cm s resistres devem ser menres que 1MΩ (ara evitar ruíds e interferências) m. = 1M Ω m = 1 m=1 é um excelente valr is facilita a esecificaçã ds resistres m; ara qualquer valr que esclherms ara, certamente encntrarems um valr 1. m α = Av 1 α = =,5..., N cas articular d amlificadr diferencial, a resistência equivalente d circuit de ( eq =,25 SPAM ) deve ser menr que 1% d valr de f =m. Esclhems,5% uma vez que utilizarems resistres de 1%.,5% (4. m. ) 2kΩ O rimeir element a ser esecificad é tenciômetr = ( α α ) (, 2, 5).2kΩ = 3, kω Para nã sbrecarregar Am O, S- PAN 2KΩ UNIFEI-IESTI Kazu Nakashima kazu@unifei.edu.br

8 8 ELT413 - Labratóri N 6 AmO - Amlificadr cm ganh ajustável (, 2, 5).2kΩ = 3Ω Pderíams esclher qualquer valr da série E6 entre 3Ω e 3,kΩ. Esclhems 1,kΩ r ser um valr muit utilizad e r ist mesm fácil de ser encntrad. =1,kΩ Uma vez esclhid tenciômetr, calculams valr de ara deterarms s demais cmnentes d divisr de tensã. = 6, 66666k ( α α ) = Ω = α. = 333,333 Ω Esclhems um valr menr mais róxim da série E96 (u E24). =33Ω Idem ara S = (1 α ). = 5,3333kΩ S S =5,1kΩ Circuit de Zer O circuit de zer é utilizad ara cmensar ff set rduzid el transdutr (V i ff set) e el róri Am O (V i e I i ). Para ermitir ajuste de zer d circuit, devems ter el mens: V = ± mv. ± (1 + m) V ± m.. I Z i( Off Set) i i V = ± 1.2[ mv ] ± (1 + 1)5[ mv ] ± 1[ M Ω].,1[ na] Z = ± 2 ± 55 ±,1 [ mv ] = ± 75,1[ mv ] N cas articular d amlificadr diferencial, a resistência equivalente d circuit de ZEO (raticamente valr de z) deve ser menr que 1% d valr de 2 =m. Esclhems,5% uma vez que utilizarems resistres de 1%. V Z z,5.1m/1=5kω z=1kω ZS = ZO ZS ZS Z Z + ZS VCC = 1 V Z V CC VCC = Z 1 VZ 15V = 1k 1 75,1mV = 198,7kΩ Para rduzir uma tensã mair que 75,1mV devems esclher um valr menr ara zs zs=18kω O tenciômetr z deve ter valr menr u igual à zs z=15kω Nta 1: Se nã huver rblema de cnsum de energia, dems utilizar resistências menres ara evitar ruíds e interferências. Um valr muit utilizad é zs= ara a- limentaçã de 15V e zs=9,1kω ara alimentaçã de 9V. Desta frma circulará uma crrente de arximadamente 1mA sbre z.o tenciômetr z=1kω é um bm valr. Nta 2: É ba rática utilizar menr númer ssível de tenciômetr ns rjets r váris mtivs. Prém, quand imrescindível, devems, semre que ssível, esclher um valr adrã (1,k, 4,7k e 1k). Itajubá, MG, julh de 216 Itajubá, MG, Dezembr de 1995 UNIFEI-IESTI Kazu Nakashima kazu@unifei.edu.br