O amplificador operacional e a eletrônica digital

Parte X – Amplificador operacional e conversão A/D

Para dar continuidade ao nosso estudo básico sobre a eletrônica digital que venho fazendo semanalmente ao longo desta série de posts preciso tratar um pouco do amplificador operacional que, embora esteja no âmbito da eletrônica linear, tem aplicações no processo de conversão de um sinal analógico para digital.

Não será um estudo aprofundado sobre amplificadores operacionais, pois isto exigiria, no mínimo, dezenas de posts. Tratarei aqui apenas do essencial para dar continuidade a nossa conversa sobre os ADCs.

Por que o nome amplificador operacional?

O próprio nome já nos dá uma dica de que o propósito de um amplificador operacional (daqui pra frente usaremos “amp op” apenas) deve ser fazer operações, ou mais especificamente, operações matemáticas tais como somas e subtrações, entre outras mais “complicadas” como diferenciação e integração.

Se você acha que os amp ops são frutos da modernidade, pois pasme em saber (se não sabe) que a ideia de construir um amp op surgiu lá pelo idos de 1945 e teve a sua primeira versão “prática” construída em 1953 como vemos na figura 1.

E à medida que os dispositivos eletrônicos foram evoluindo das válvulas para o transistores e destes para os circuitos integrados os amp ops foram se modernizando.

Obviamente que dentro do CI que chamamos de amp op, assim como em quaisquer outros CIs, temos transistores e resistores para compor o circuito, mas nós olharemos o amp op como um bloco único representado por um triângulo como vemos na figura 2.

Os terminais de um amp op

Acompanhando pela figura 2 vemos que são, basicamente, cinco o número de terminais de um amp op os quais são designados por:

 

1)   + Vcc e –Vcc que correspondem aos terminais de alimentação que, geralmente, deve ser feito por uma fonte simétrica;

2)   Terminal de entrada não inversora (+);

3)   Terminal de entrada inversora (-);

4)   Terminal de saída.

Como ilustração a figura 3 mostra a configuração de um amp op bastante “famoso” conhecido pelo código 741.

O amp op como circuito comparador

No momento interessa-nos apenas entender como funciona um amp op como circuito comparador, pois é esta configuração que é utilizada nos conversores analógicos digitais (ADC).

Como o próprio nome diz, nas configurações como comparador, mostradas nas figuras 4 e 5, o amp op irá comparar o sinal aplicado entre as suas duas entradas, inversora e não inversora, e fornecer na saída o resultado desta comparação.

Elege-se uma das entradas, a inversora ou a não inversora, como referência para fazer a comparação com a tensão aplicada à outra entrada.

Se as tensões aplicadas às duas entradas forem iguais, então a saída será nula.

Entretanto dependendo da entrada escolhida para receber a tensão de referência (V_ref) teremos os seguintes casos:

Caso 1- Figura 4

Tensão de referência (V_ref) aplicada à entrada não inversora:

a)   Se V_in > V_ref então teremos saída em nível alto;

b)   Se V_in < _Vref  então teremos saída em nível baixo.

Por exemplo, se a tensão de referência for 5V e aplicarmos 6V na entrada teremos um nível alto na saída que dependerá do valor utilizado para  a alimentação do amp op. Por outro lado se aplicarmos 4V teremos um nível baixo na saída.

Caso 2 – Figura 5

Tensão de referência aplicada à entrada não inversora:

a)   Se V_in > V_ref então teremos saída em nível baixo;

b)   Se V_in < V_ref  então teremos saída em nível alto.

Como fazer a conversão analógico-digital

 Existem, basicamente, três técnicas para fazer a conversão A/D.

São elas:

• Codificação paralela ou flash
• Contador gerador de rampa
• Aproximações sucessivas

 Os parâmetros fundamentais na conversão são:

•  Resolução, que está associada à quantidade de bits utilizado;
• Rendimento ou velocidade de conversão que é dado pela taxa de amostragem (sample rate). Veja o post anterior.

Apresentarei aqui, de forma bem superficial, apenas o conversor flash para que você tenha uma ideia de como é feita a “mágica” para transformar um sinal analógico em digital.

Este conversor utiliza circuitos comparadores que irão comparar o sinal da entrada analógica com uma tensão de referência.

Como já vimos quando o valor da tensão analógica exceder o valor da tensão de referência, em um determinado comparador, um nível alto será gerado em sua saída. Acompanhe na figura 6.

O circuito da figura 6 mostra um conversor A/D de apenas 2 bits de resolução para fins meramente didáticos.

 

O número de comparadores utilizados dependerá da quantidade de bits de resolução. Se     quisermos trabalhar com 4 bits precisaremos de 15 comparadores, para 8 bits serão necessários 255 comparadores e assim por diante.

A finalidade da rede resistiva em série é formar um divisor de tensão para a entrada de referência na entrada de cada amp op.

À medida que o sinal analógico de entrada ultrapassa a tensão de referência de um determinado comparador a sua saída vai a nível alto que neste exemplo é igual a 8V que foi a tensão utilizada para alimentar os amp ops.

Estes níveis são levados a um circuito lógico chamado codificador de prioridade para finalmente produzir o sinal digital, que neste exemplo didático terá apenas dois dígitos.

Resumo da ópera!

Não irei, como já disse, me aprofundar neste assunto dado o seu elevado grau de complexidade. Isto fica, quem sabe, para um livro futuro.

O objetivo principal foi chamar a sua atenção de como os processamentos digitais exigem, na prática, que todos os elementos periféricos a um dado CI estejam com seus valores corretos e, nunca é demais lembrar, que não tenhamos problemas com soldas que podem parecer boas aos seus olhos, mas nem tanto para os exigentes circuitos digitais.

Por enquanto é só.  No próximo post teremos, finalmente, a construção de uma ponta lógica para equipar sua bancada com mais esta ferramenta importante na reparação de equipamentos digitais.

Até sempre.