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Buffers e Seguidores de Tensão

buffers

Neste artigo, vamos explicar o funcionamento dos seguidores de tensão (buffers). Também vamos apresentar os esquemas mais conhecidos e dar exemplos práticos.

Introdução

A ideia de um buffer, ou seguidor de tensão, é a de um circuito que apresente na saída exatamente a entrada aplicada. Se pensarmos no sistema como uma "caixa preta", teremos a entrada exatamente igual à saída.

Caixa preta onde a saída é a própria entrada.
Caixa preta onde a saída é a própria entrada.

No entanto, qual seria a vantagem de um circuito onde a saída é exatamente a entrada? Precisamos pensar que, quando dizemos exatamente "igual", queremos dizer que respeita os mesmos valores de tensão à medida do tempo, que os valores de tensão se comportam da mesma forma. No entanto, o circuito pode apresentar outras características interessantes, como uma alta impedância de entrada, ou uma saída de potência elevada, ou mesmo uma proteção elétrica e/ou isolada.

Amplificadores Operacionais

A base do nosso sistema é o amplificador operacional. Tratado como componente individual, ele possui duas entrada de sinais e uma saída, sendo esta composta do ganho pela diferença entre as entradas.

Amplificador Operacional
Amplificador Operacional.
Ganho
Ganho

Como nosso objetivo é que os sinais de saída sejam exatamente os mesmos da entrada, podemos imaginar um circuito que apresente ganho 1. Para que isso sejam idênticas a saída da entrada, nosso circuito deve ser um não-inversor. Sendo assim, o diagrama clássico do amplificador não-inversor é nosso ponto de partida.

Amplificador não-inversor.
Amplificador não-inversor.

Para nossa situação, o ganho é dado pelos resistores R1 e R2. Assim, partimos do ganho do circuito não-inversor, que é dada da seguinte forma:

seguidor-tensao-formula-1
Ganho do circuito não-inversor.

Para conseguir nosso ganho unitário, tendo em vista que este esquema já possui um elemento unitário no ganho, bastaria zerar o elemento (R2/R1) em nosso cálculo. Isso é feito colocando um curto-circuito em R2 (R2=0) e deixando R1 em aberto (R1=∝).

Nessa situação, o ganho que restaria seria apenas o parâmetro unitário presente neste circuito. Dessa forma, teremos o nosso esperado, Saída=Entrada. A sequência de fórmulas, assim como o circuito, se dá conforme abaixo.

Fórmulas para ganho unitário.
Fórmulas para ganho unitário.
Esquema do circuito calculado.
Esquema do circuito calculado.

Esse circuito faz exatamente o que esperamos dele. De maneira teórica, todo o sinal de entrada é colocado diretamente na saída, respeitando todos os níveis e funcionando de maneira transparente. Outra característica desse nosso circuito teórico, é que ele respeita toda e qualquer faixa de frequência, sem atenuações nem atrasos.

Análise de um Circuito Real

Na prática, as coisas não são tão coloridas, embora a aplicação usual desse tipo de circuito permita um grande número de possibilidades sem maiores problemas. É importante entender e analisar algumas características dos amplificadores operacionais para entender quais seriam nossas possíveis limitações. Para isso, vamos escolher três amplificadores bem comuns, o LM741 (por motivos históricos), o LM324 (por seu uso frequente) e o CA3140 (por algumas características técnicas).

  • Input Offset Voltage e Input Offset Current

Essas características determinam qual a tensão e corrente mínima entre as entrada necessária para o funcionamento do amplificador. Abaixo da tensão mínima, não há garantias de funcionamento do processo de amplificação. Para os amplificadores que vamos analisar, as tensões e correntes são dadas conforme abaixo.

 

LM741

LM324

CA3140

|VIO| Max

 5.0mV 3.0mV 15mV

|IIO| Max

 200nA 30nA 30pA
  • Slew Rate

Outra característica fundamental para nosso sistema é o Slew Rate. Trata-se da velocidade com que a resposta é dada na saída de acordo com o sinal de entrada. Essa característica não apenas aplica um atraso entre a entrada e a saída do sinal, como também interfere na frequência máxima do dispositivo. As características de nossos amplificadores operacionais são:

 

LM741

LM324

CA3140

Slew Rate

0.5V/µS0.4V/µS9.0V/µS
  • Output Voltage

A informação de Output Voltage (ou Output Voltagem Swing) é a máxima e mínima tensão de saída (para VSupply+ e VSupply- respectivamente). Para entender melhor, vamos raciocinar um pouco sobre o dispositivo: sabemos que o amplificador não poderá fornecer uma tensão de saída igual à tensão de alimentação, pois é esperado uma queda de tensão interna no circuito. Logo, a diferença entra a tensão de alimentação positiva (VSupply+) e a tensão máxima de saída (VO+), e a tensão de alimentação negativa (VSupply-) e a tensão mínima de saída (VO-), devem ser conhecidas.

Embora a tensão de alimentação máxima dos amplificadores que estamos analisando seja diferente, todos fazem uma análise para a mesma carga de saída (2KΩ).

Para entender a informação seguinte, considere VS+ como a tensão de alimentação positiva, e VS- como tensão de alimentação negativa. Na tabela, é mostrado a saída como um valor de tensão subtraído (ou somado) da tensão positiva (ou negativa). VO é a tensão de saída. Logo VO+ é a tensão de saída para valores positivos e VO- é a tensão de saída para valores negativos. Após tudo isso, a tabela é conforme abaixo:

 LM741LM324 CA3140
VO+(VS+)-5 (VS+)-4 (VS+)-3
 VO-(VS-)+5 (VS-)+4 (VS-)+1

Não vamos esquecer que nossa aplicação considera sempre que as entradas e saídas serão idênticas. Dessa forma, é possível fazer um paralelo com as tensões de entrada. As tensões máximas de entrada vão ser as mesmas que as conseguidas na saída.

  • Largura de Banda

A largura de banda (ou Bandwidth) é a faixa de frequência que o amplificador trabalha sem gerar distorções. Embora esteja intrinsecamente ligada ao Slew Rate, possui valores definidos para cada componente.

Essa faixa varia muito com o ganho da amplificação, chegando a valores sensivelmente menores para grandes amplificações. Normalmente, a largura de banda é apresentada para ganhos unitários, onde apresentam seu maior valor. Dessa forma, para os componentes que estamos analisando, temos os seguintes ganhos:

 LM741LM324CA3140
Bandwidth1,5MHz1,0MHz4,5MHz
  • Circuito Real

Percebemos, então, que nosso circuito seguidor de tensão possui seus limites. A tensão de saída não conseguirá atingir a tensão de alimentação e a banda de saída não responderá bem para altas frequências. Apesar disso, esse circuito não apresenta maiores dificuldades, podendo ser aplicado de maneira quase transparente.

Apenas um Buffer

O primeiro circuito real que vamos analisar é o próprio seguidor de tensão em uma aplicação bastante típica. Vamos imaginar que precisamos fazer a leitura da tensão de uma bateria através de um divisor resistivo. Para que esse divisor não descarregue a bateria, o valor de suas resistências precisam ser bastante altas, nesse caso R1=1MΩ e R2=2M2Ω. Vamos também imaginar que estamos trabalhando com um Arduino Duemilanove, que possui um ATmega328P como núcleo.

Diagrama de leitura de tensão de bateria.
Diagrama de leitura de tensão de bateria.

Nessa situação, a tensão do divisor resistivo poderia ser aplicada diretamente na entrada do canal analógico do microcontrolador. No entanto, este consome uma corrente de até 1μA. Isso significa que, para o divisor resistivo apresentado, seria equivalente a uma resistência de cerca de 3M125Ω. Essa impedância de entrada é extremamente alta, mas para este circuito em específico já possui um valor que interfere na medida.

Para resolver isso, aplicamos o amplificador CAA3140 como seguidor de tensão. Ele possui entradas do tipo FET, o que lhe garante uma impedância de entrada muito muito maior que a do Arduino. Como vimos, ele vai consumir uma corrente máxima de 30pA, o que lhe garante uma impedância de entrada de cerca de mais de 100.000MΩ. Dessa forma, temos a segurança de que não haverá interferência no circuito.

Buffer Push-Pull

Quando desejamos aplicar um nível de tensão analógico em um dispositivo, podemos fazer uso de um conversor Digital/Analógico. No entanto, estes não costumam fornecer correntes maiores do que umas dezenas de miliamperes. Podemos fazer uso de um amplificador seguidor de tensão, mas este também não fornecerá corrente muito superior ao do DAC.

No entanto, se fizermos uma adaptação utilizando transistores, podemos conseguir correntes maiores. O amplificador poderia garantir que a tensão de saída seja sempre a mesma aplicada na entrada, e os transistores poderiam garantir uma corrente adequada à carga aplicada.

O circuito que aplica esse tipo solução é o buffer push-pull. Dotado de dois transistores, um NPN e outro PNP, ele garante que a saída será a mesma que a entrada, mas com um fornecimento excelente, apenas limitado aos transistores. O esquema desse circuito é dado conforme se segue:

Buffer Push-Pull.
Buffer Push-Pull.

Este circuito é bastante utilizado como etapa de saída de amplificadores de áudio ou controle de motor. A tensão de entrada VIN é passada ao amplificador, que irá aplicar uma tensão adequada na base dos transistores. Essa tensão irá polarizar o transistor de acordo a polaridade correta, que aplica uma tensão na saída VOUT, realimentando o circuito.

Os resistores R1 e R2 têm função de proteção. Uma vez que as potências são mais elevadas, é interessante proteger o amplificador operacional. Dessa forma, caso algum componente venha a queimar e possivelmente entrar em curto-circuito, o amplificador terá uma proteção extra no caso de um possível retorno de corrente. Vamos, então, analisar uma situação real:

Vamos supor que a tensão de alimentação VCC e -VCC sejam respectivamente +15V e -15V, e que o amplificador LM324 esteja excursionando sua entrada entre +9 e -9V. Sabemos que a tensão máxima de saída desse amplificador é de +11V (+VCC-4V) e -11V (-VCC+4V). Dessa forma, sabemos que a tensão de saída vai responder corretamente.

O LM324 pode fornecer uma corrente típica de 40mA e drenar 20mA. Dessa forma, vamos realizar os cálculos considerando os 20mA limites. Vamos supor que estamos trabalhando com o BC337 (NPN) e BC327(PNP) que fornecem/drenar até 800mA no coletor.

Cálculos no buffer push-pull.
Cálculos no buffer push-pull.

Nessas condições, sabemos que VBE será 0,7V e hFE varia entre 100 e 630. Queremos IB menor que nossos 20mA limites, logo vamos calcular qual seria o IB para o menor hFE possível e verificar se fica dentro de nosso limite:

seguidor-tensao-formula-3

Verificamos que a corrente de base máxima é de 8mA, dentro do limite de 20mA que desejamos. Sabemos que a tensão de saída máxima desse circuito é de 11V. Vamos adotar, então, que a saída que vamos aplicar para essa situação limite é de 10,5V, dentro do nosso limite. Dessa forma, o cálculo se dá conforme abaixo:

seguidor-tensao-formula-4

Assim, temos que o resistor R1 deve ser de, no máximo, 100Ω. E, uma vez que as tensões, hFE, etc, são os mesmos para Q2, é possível adotar o mesmo valor para R2.

Buffer de Meia-Onda

Uma montagem mais simplificada do nosso Buffer Push-Pull é a versão apenas para sinais positivos. Essa versão mais simplificada possui as mesmas características da montagem indicada acima, mas apenas para tensões superiores a GND. Se o circuito for alimentado com tensões inferiores a esse limite, o transistor estará cortado, e como não há o par PNP para transmitir as correntes necessárias, VOUT estará flutuando.

Buffer base do LDO.
Buffer base do LDO.

Esse circuito é fundamental, pois trata-se da base dos reguladores de tensão LDO. Com essa montagem, é possível grampear a tensão VIN com um zener e ter sua tensão regulada na saída. Um exemplo disso é o LT3080, da Linear Technology.

LT3080, da Linear Technology.
LT3080, da Linear Technology.

Este componente possui uma fonte de corrente constante aplicada sobre um resistor externo. De acordo com o valor do resistor, teremos uma tensão fixa que servirá de referência para nosso buffer. Esse componente é capaz de fornecer até 1,1A de corrente.

Diodo Ideal

Outra aplicação para o nosso seguidor de tensão é o diodo ideal. Trata-se de uma montagem com diodo que garante que apenas o sinal de uma polaridade seja transferido, mantendo 0V na saída quando a polaridade é invertida. É importante notar que essa montagem apenas regula o sinal, mas tem o limite de corrente do amplificador. Dessa forma, não conseguiremos mais que algumas dezenas de miliamperes na saída.

Esquema do diodo ideal.
Esquema do diodo ideal.

No esquema apresentado, temos na saída VOUT apenas as o lado positivo de VIN, mantendo 0V quando a tensão é abaixo de zero. No entanto, para conseguir o sinal justamente oposto (tensão negativa em VOUT) basta inverter o diodo.

Referência

LM741 -http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm741.pdf
LM324 -http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm124-n.pdf
CA3140 -http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/ca31/ca3140a.pdf
ATmega328P -http://www.atmel.com/Images/doc8161.pdf
BC337 -http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/BC337-D.PDF
BC327 -http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/BC327-D.PDF
LT3080 -http://www.linear.com/product/LT3080
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Brenno
Brenno
08/07/2020 10:31

Qual é o mais recomendado para passar sinais para um osciloscópio caseiro com a placa de som do PC, mas pra proteção eu vou usar uma placa de som USB e o buffer

Gilson
Gilson
23/09/2019 09:52

Francisco parabéns pelo artigo, esse bufer push pull caso usado para áudio daria uma qualidade excelente de audio, no caso poderia usar transistores de baixo ruido e melhor qualidade, se sim qual seria melhor nesse caso, muito obrigado

gilson
gilson
15/02/2018 07:37

Ola Francesco adorei o tema, tenho muitas dúvidas sobre operacionais, sera que você poderia me esclarecer algumas, parabéns pelo artigo.

Marcelo Jo
Marcelo Jo
06/07/2015 12:56

E aí Francesco, parabéns pelo artigo!
Vendo a saída push-pull... Não existe o risco de os dois transistores conduzirem ao mesmo tempo num curto espaço de tempo e assim danificar aos poucos os transistores?

Francesco Sacco
Reply to  Marcelo Jo
06/07/2015 17:25

Olá Marcelo, Obrigado pelo retorno. Muito boa sua pergunta. Esse tempo entre o desligar um transistor e ligar outro transistor é conhecido como dead-time Eu já tirei fumaça de alguns MOSFETs de potência por causa disso. 🙂 Normalmente esse tempo está na ordem de nano-segundo, e são mais significativos quando se trabalha com PWM (onda quadrada), onde o corte de um transistor e a saturação de outro são praticamente imediatas. No nosso caso, estamos trabalhando na região linear dos transistores, havendo uma curva clara e mais lenta entre desligar um transistor e ligar outro. Se você precisa de potências altas,… Leia mais »

Fabio Rueda
Fábio Rueda de Toledo
24/07/2014 13:46

Grande Fran... PARABÉNS!

Francesco Sacco
Reply to  Fábio Rueda de Toledo
24/07/2014 13:54

Poxa Fábio,
Obrigado! 🙂

Geraldo Gitirana
Geraldo Cartolano
30/06/2014 20:58

Muito bom, acabei de aprender muitas coisas interessantes, parabéns continue assim !!!

Francesco Sacco
Reply to  Geraldo Cartolano
01/07/2014 12:06

Olá Geraldo,
Obrigado pelo retorno. Fico contente que esteja gostando do trabalho.
Um abraço.

Marcelo Pereira Cunha
Marcelo Cunha
27/06/2014 12:12

Artigo objetivo e bem escrito. Esclarece bastante.

Francesco Sacco
Reply to  Marcelo Cunha
27/06/2014 13:08

Olá Marcelo,
Agradeço pelo comentário. É importante saber se o pessoal está gostando do nosso trabalho.
Obrigado.

Bernardo Afonseca
Bernardo
26/06/2014 09:03

Muito bom seu artigo, parabéns pela didática utilizada.

Francesco Sacco
Reply to  Bernardo
26/06/2014 09:28

Olá Bernardo.
Obrigado pelo retorno.

Mateus Oliveira
Mateus Oliveira
19/10/2016 19:14

Muito bom, cara! Deu ate vontade de sair montando. Eu estudei mais sistemas digitais e microcontroladores e vi pouco de analogicas. Tenho aprendido bastante aqui! Parabens

Isaias Junior
Isaias Junior
21/09/2016 13:19

Muito bom artigo, Francesco. Estudei este artigo e anotei os pontos principais para referências futuras! Gostaria de frisar que sua breve explicação para "slew rate" me ajudou a finalmente entender em que isso é fundado. O Sedra fala disso, mas tua explicação é um pouco mais intuitiva!

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