Muitos projetistas acham que amplificadores e operacionais são semelhantes e que podem ser usados nas mesmas aplicações, sem maiores problemas. Até mesmo o símbolo destes componentes é o mesmo, mas é justamente a partir daí que as confusões começam. Amplificadores Operacionais são iguais, mas só que diferentes, usando uma frase que costumo empregar com freqüência na redação da Revista Saber Eletrônica, para indicar coisas que se parecem, nas que no fundo são bastante diferentes. Veja neste artigo, baseado em material da TEXAS INSTRUMENTS, porque os projetistas não devem confundir Amplificadores Operacionais com Comparadores de Tensão.
Amplificadores operacionais e comparadores de tensão são usados numa ampla série de circuitos modernos, como por exemplo na aquisição de dados e controle, interfaceando microcontroladores e DSPs.
Desta forma, a importância destes circuitos, relativamente simples, não deve ser desprezada, e um descuido na escolha da configuração ou do tipo correto pode comprometer projetos relevantes de uma forma que muitos dos leitores não imaginam.
Amplificadores Operacionais e Comparadores de Tensões são representados pelos mesmos símbolos, conforme mostra a figura 1, mas se fizermos uma análise interna de seus circuitos veremos que eles são bem diferentes, e é aí que começa justamente a nossa análise.
Os Circuitos Internos
Na figura 2 mostramos os circuitos internos de um amplificador operacional comum, como o LM324.
Na figura 3, por outro lado, temos o circuito interno equivalente a um comparador de tensão, como por exemplo o LM339.
Conforme podemos ver, as etapas de entradas dos dois circuitos são iguais, consistindo em etapas amplificadores diferenciais com entradas inversoras e não inversoras.
No entanto, é na etapa de saída que encontramos as principais diferenças e que levam justamente aos usos diferentes para estes circuito e também para seu comportamento diferente em muitas aplicações.
Os amplificadores operacionais são otimizados para uma operação linear enquanto que os comparadores de tensão são otimizados para uma operação em regime saturado.
Assim, se observarmos as etapas de saída desses dois tipos de circuitos, vereos que enuanto os amplificadores operacionais possuem saídas com transistores complementares, normalmente operando em classe B, os comparadores de tensão possuem saídas com coletor aberto.
Um transistor na saída com o coletor averto se caracteriza por apresentar uma tensão entre coletor e emissor (Vce) baixa quando comutando cargas de correntes elevadas.
Na prática tanto podemos ter os comparadores disponibilizando a saída deste transistor com um pino ligado apenas ao coletor, como podemos ter circuitos em que se têm acesso tanto ao pino de coletor como de emissor, como mostra a figura 4.
É claro que também existem comparadores que em lugar de transistores bipolares na saída, utilizam FETs caso em que teremos uma saída de dreno aberto. Evidentemente, o componente também tem seu circuito otimizado para comutar cargas de potências elevadas e não para uso linear.
Os Comparadores
Os comparadores de tensão foram criados para acionar relés. Depois, ficou patente que as características de saída em coletor ou dreno aberto destes componentes os tornavam ideais para se implementar funções lógicas de potência, como por exemplo, portas NAND.
Na figura 5 temos um exemplo de uma porta NAND de 4 entradas baseada em comparadores, aproveitando os transistores com coletor aberto de suas saídas.
Na operação normal, quando os transistores de saída estão no corte, sua impedância é muito alta, e quando saturados apresentam uma impedância muito baixa.
A técnica de se usar saídas com coletor aberto foi usada amplamente em lógica digital por muito tempo, mas tem sido abandonada pelos projetistas atuais. No entanto, os comparadores ainda representam um vestígio desta tecnologia que pode ser de grande utilidade ainda em muitos projetos.
O que ocorre é que as saídas em "totem pole" usada nos circuitos lógicos atuais é muito mais rápida, mas tem a desvantagem de não poderem ser ligadas em paralelo, o que não ocorre no caso dos comparadores.
Obs: existem comparadores que possuem saídas em totem pole e que são otimizados tanto para operação saturada como em alta velocidade.
Usando o Comparador
Os comparadores são dispositivos para serem usados sem redes de alimentação, ou seja, são dispositivos do tipo "open loop". Este fato deve ficar bem claro quando os projetistas forem optar por este tipo de componente num projeto.
Na figura 6 temos os modos básicos de utilização dos comparadores de tensão.
Em (a) a tensão de referência é aplicada à entrada inversora. Quando a tensão de entrada, aplicada à entrada inversora, varia entre 0 e a tensão de referência, a saída se mantém no nível alto ou o transistor de saída no corte (estado de alta impedância). Quando a tensão ultrapassa o valor de referência, a saída do comparador cai a zero, com o transistor de coletor/dreno aberto sendo saturado.
Em (b) temos a operação com a tensão de referência sendo aplicada à entrada não inversora. Quando a tensão de entrada, aplicada à entrada inversora, varia entre 0 e o valor de referência, a saída se mantém no nível baixo com o transistor de coletor/dreno aberto sendo saturado. Quando a tensão de entrada ultrapassa o valor de referência, o circuito comuta e a saída vai ao n;ivel alto com o transistor de saída passando ao corte.
Veja que o elevado ganho destes circuitos fazem com que a transição, no momento em que a tensão de referência é aplicada na entrada, seja extremamente rápida.
A tensão de referência é normalmente obtida por um divisor resistivo, mas existem outras formas de se conseguir esta tensão, as quais dependem da aplicação do comparador.
Comparadores de Janela e Conversores Senoidal para Retangular
Uma das aplicações mais interessantes dos comparadores é obtida com a sua combinação de modo a detectar não apenas a passagem da tensão de entrada por um valor mas por dois, delimitando assim uma faixa ou "janela" de atuação, conforme mostra a figura 7.
Os comparadores de janela usam duas tensões de referência que podem ser obtidas por divisores resistivos na maioria dos casos. Na edição anterior da Revista Saber Eletrônica publicamos um artigo em que analisamos mais profundamente o funcionamento dos comparadores de janela.
Uma outra aplicação importante dos comparadores é na conversão de um sinal senoidal num sinal retangular compatível com a entrada de circuitos lógicos digitais.
Como isso pode ser feito é mostrado na figura 8, observando-se a necessidade do uso de uma fonte simétrica.
O capacitor se carrega com o valor médio da tensão de modo a produzir a referência e assim garantir que, nos sinais de entrada com amplitudes maiores, tenhamos um ciclo ativo do sinal de saída de 50 %.
Uma outra possibilidade de uso para os comparadores é aquela em que temos um elo de realimentação. Dizemos que o comparador opera na configuração "closed loop" conforme mostra a figura 9.
Quando um comparador opera com um circuito de realimentação conforme o indicado ele passa a apresentar características de histerese, conforme mostra a figura 10.
Esta configuração é, em especial interessante, quando sinais de frequências muito baixos são usados na entrada.
A tensão de histerese normalmente está entre 1 e 2% da tensão de alimentação, e pode ser calculada pela fórmula:
Vh = [Rp/(Rp+Rh)] x Vcc
Os Amplificadores Operacionais
Quando usados sem circuitos de realimentação, os amplificadores operacionais se comportam como os comparadores de tensão.
No entanto, os amplificadores operacionais são projetados para operar no modo linear. Na figura 11 temos a curva de bBode típica para um amplificador operacional.
Este tipo de curva é útil principalmente para o projeto de filtros pois ela fornece a curva de resposta de um amplificador como amplitude do sinal de saída em função da freqüência dos sinais trabalhados. Observe que, para o amplificador tomado por exemplo, o ganho cai em mais de 50 dB quando passamos de sinais contínuos para sinais com uma freqüência de 1 MHz.
Evidentemente, em qualquer aplicação como amplificador, deve-se lembrar que a amplitude da excursão do sinal de saída está limitada pelas tensões de alimentação.
Como este tipo de circuito está otimizado para uma aplicação com realimentação, o ganho deve ser programado para que não ocorra a condição de saturação que leva a uma distorção do sinal.
Quando um amplificador é usado sem realimentação, os resultados obtidos podem ser imprevisíveis. Nenhum fabricante pode garantir que tipo de comportamento vai ter um amplificador operacional quando usado sem realimentação.
É claro que em certos casos, pode-se usar um amplificador operacional como comparador.
Um projeto pode ser realizado com base num determinado tipo de amplificador operacional, e funcionar perfeitamente. No entanto, quando este amplificador operacional for substituído por um equivalente os problemas podem ocorrer, como por exemplo instabilidades, aumento de consumo, etc.
A Texas Instruments em um application note dá como exemplo o caso do amplificador operacional LM324 que pode ser usado como comparador em muitos casos, mas que não comuta de modo apropriado em aplicações críticas como por exemplo no controle de servomecanismos.
O problema se agrava quando a exigência principal do projeto é um comparador de alta velocidade. Os transistores usados nas etapas de saída de amplificadores operacionais não são transistores de comutação. São dispositivos lineares projetados para trabalhar com sinais analógicos. Além de aquecerem mais quando levados a saturação, estes transistores podem não ter tempos de recuperação previsíveis, causando instabilidades ao circuito. Até mesmo a destruição do componente pode ocorrer num caso mais grave.
O Que não Fazer Com Amplificadores Operacionais
O uso correto de amplificadores operacionais envolve alguns cuidados simples que podem significar a diferença entre um bom desempenho do circuito e a queima do componente.
A Texas Instruments em seu Application Report SL0A067 enumera alguns desses cuidados.
1.Ligação Incorreta dos Terminais das Etapas não Usadas
Muitos circuitos integrados contém diversos amplificadores operacionais que nem sempre são usados na sua totalidade. Na figura 12 mostramos os erros principais que ocorrem quando deixamos amplificadores não usados num circuito integrado que contenha diversos deles.
Veja que as maneiras coretas envolvem a polarização com determinados níveis de tensão das entradas.
Entradas flutuantes - deixando as entradas livres, com o alto ganho que possui, o ruído pode levar o circuito a oscilar entre as tensões de alimentação, saturando com facilidade. Neste processo, a oscilação pode ser responsável pela produção de ruídos de alta freqüência.
Aterrar as entradas ao mesmo tempo - não se pode garantir que não exista uma tensão em modo comum nesta configuração, pois as pequenas diferenças nos comprimentos das trilhas podem ser responsáveis por isso. Esta pequena tensão pode ser responsável pela saturação do amplificador operacional, com efeitos imprevisíveis.
Ligar como seguidor de tensão - não é uma solução apropriada, pois o projetista deve assegurar que o amplificador se estabilize numa condição de funcionamento e permaneça nela. No entanto, esta conexão pode causar aquecimento do componente e aumentar o consumo de energia.
Não muito conveniente - esta lição pode levar o amplificador a apresentar uma saída numa das tensões de alimentação.
Bom - Neste sistema, oas entradas inversora e não inversoras são mantidos em metade do potencial entre a linha positiva e negativa, ou seja, no valor de terra quando se usa fonte simétrica. Se existir um terra virtual no sistema, ele pode ser usado nesta conexão.
Modo esperto - o projetista esperto, segundo a Texas Instruments, prevê a possibilidade do sistema mudar no futuro. Assim, com a retirada dos resistores e com o uso de jumpers, os amplificadores operacionais não usados podem ser aproveitados.
2.Ganho DC
Uma outra causa de problemas, em circuitos que utilizam amplificadores operacionais, é que os projetistas esquecem dos efeitos das componentes DC que podem estar presentes nos sinais. A presença de uma componente DC pode mudar o nível do sinal de saída na condição de repouso, conforme ilustrado na figura 13.
3.Fonte de Corrente Constante
Um fato notado pela Texas Instruments ao verificar as aplicações de seus componentes é o mal uso das fontes de corrente existentes nos amplificadores operacionais.
Em certas aplicações a carga é ligada no final de um cabo, o qual é conectado ao circuito, conforme mostra a figura 14.
Quando o cabo é desligado, o amplificador passa a ter uma forte realimentação positiva que leva sua saída ao potencial da linha de alimentação negativa.
Produtos da Texas Instruments
A Texas Instruments recomenda que não se use amplificadores operacionais sem realimentação como comparadores de tensão. Problemas já analisados podem ocorrer.
No entanto, muitos projetistas são tentados a aproveitar amplificadores operacionais livres de circuitos integrados que contém duas ou quatro unidades, como comparadores e isso pode levar a problemas.
Pensando nesta possibilidade, a Texas Instruments disponibiliza alguns produtos que podem ser muito interessantes para quem precisa de amplificadores operacionais e comparadores numa mesma aplicação.
São circuitos integrados combinados (combo) que contém num mesmo invólucro amplificadores operacionais e comparadores.
Com estes CIs o projetista pode ganhar tempo, espaço na placa de circuito impresso e mais do que isso: economizar no custo final do produto que está sendo desenvolvido. Os produtos destacados da Texas Instruments são:
TLV2302 = AO (1) + Comparador Coletor Aberto (1) - Combo IC
TLV2304 = AO (2) + Comparador Coletor Aberto (2) - Combo IC
TLV2702 = AO (1) + Comparador Push Pull (1) - Combo IC
TLV2704 = AO (2) + Comparador Push Pull (2) - Combo IC
AO = amplificador operacional
Analisemos as características destes componentes:
TLV2302/TLV2304
Estes componentes combinam num único invólucro 1 amplificador operacional e 1 comparador de coletor com saída em coletor aberto (TLV2302) ou 2 amplificadores operacionais e 2 comparadores com sáida em coletor aberto (TLV2304) num único invólucro. Dentre as caracteristicas a serem destacadas para este componente é a sua baixa tensão de operação de 2,5 V que o torna compatível com a operação de microcontroladores de baixa potência como por exemplo o MPS430. As principais caracteristicas destes componentes são:
IQ por canal (mA)
TLV2302 = 0,0017
TLV2304 = 0,0017
tRESP baixo-para-alto (us)
TLV2302 = 55
TLV2304 = 55
Vs (max) (V)
TLV2302 = 16
TLV2304 = 16
Vs (min) (V)
TLV2302 = 2,5
TLV2304 = 2,5
VICR (max) (V)
TLV2302 = 21
TLV2304 = 21
VICR (min) (V)
TLV2302 = -0,1
TLV2304 = -0,1
VIO (25 oC) (max) (mV)
TLV2302 = 5
TLV2304 = 5
Número de canais
TLV2302 = 2
TLV2304 = 4
TLV2702/TLV2704
Estes componentes combinam num único invólucro um amplificador operacional e um comparador com saída push-pull (TLV2702) ou dois amplificadores operacionais e dois comparadores com saída push-pull (TLV2704). A tensão de operação mínima de 2,5 V torna-o compatível com o uso conjunto com microprocessaodres de ultra baixa potência como por exemplo os MSP430.
Suas principais características:
IQ por canal (max) (mA)
TLV2702 = 0,0019
TLV2704 = 0,0019
tRESP (baixo para alto) (us)
TLV2702 = 36
TLV2704 = 36
Vs (max) (V)
TLV2702 = 16
TLV2704 = 16
Vs (min)
TLV2702 = 2,5
TLV2704 = 2,5
VICR (max) (V)
TLV2702 = 21
TLV2704 = 21
VICR (min) (V)
TLV2702 = -0,1
TLV2704 = -0,1
VIO (25 oC) (max) (mV)
TLV2702 = 5
TLV2704 = 5
Número de canais
TLV2702 = 2
TLV2704 = 4
Conclusão
Amplificadores operacionais podem parecer iguais aos comparadores, mas, na realidade, são diferentes. Não se deixe levar pela tentação de aproveitar amplificadoress operacionais baratos ou livres num CI que tenha sido usado para outra finalidade para implementar comparadores. Os resultados podem ser catastróficos num projeto.
Use componentes apropriados ou então, aproveita as soluções combinadas que a Texas Instruments oferece, com componentes que reunem as duas funções no mesmo invólucro.
Mais informações sobre os componentes citados neste artigo, incluindo os data sheets completos em formato PDF podem ser baixadas a partir do site da Texas Instruments em: http://www.ti.com.
