Elevando a impedância para sinais AC em circuitos com AmpOp

Acoplando sinal AC

Caro leitor, no artigo anterior apresentei dois métodos interessantes e relativamente simples para condicionar sinais AC em circuitos com amplificadores operacionais sem utilizar uma fonte simétrica, algo muito comum em sistemas embarcados.

Entretanto, já comentei que essas abordagens geram um pequeno inconveniente. E qual seria ele? Bom, geralmente em circuitos com acoplamento AC, seja em fonte simples ou simétrica, utilizamos um capacitor associado a um resistor formando um filtro passa alta, responsável por acoplar apenas o sinal AC, ao mesmo tempo que isola qualquer nível DC proveniente da fonte de sinal.

Circuito básico de acoplamento AC - impedância para sinais AC
Figura 1 – Circuito básico de acoplamento AC.

Analisando o circuito veremos que o resistor do filtro está em paralelo com a impedância de entrada do AmpOp, e como seu valor tende a ser muito menor que a impedância do AmpOp, acaba dominando a associação em paralelo. Ou seja, a impedância é definida basicamente pelo resistor Rin.

Veja, saímos de uma impedância teoricamente infinita (ok, na prática não é bem assim, mas é um valor muito alto), para um valor a ser definido pelo próprio resistor. Agora pense, como podemos elevar essa impedância?

A ideia mais lógica é aumentar o valor do resistor, correto? Sim, é uma possibilidade, mas não a ideal. A maioria dos AmpOp’s possui impedância na casa das dezenas de M? ou mesmo acima dos G?. No caso de elevar o valor do resistor, talvez não seja tão simples conseguir um resistor de 10 M? no comércio das cidades menores, que tal algo como 100 M? ou 1 G??

Mesmo que acessíveis, caímos em outro ponto, o ruído. O resistor é uma fonte de ruído Johnson–Nyquist, também conhecido como Ruído Térmico. Conforme a equação a seguir, é visível que quanto maior o valor do resistor, maior será o ruído gerado pelo mesmo. Isso se torna mais pronunciável em aplicações de instrumentação de precisão.

(1)

A técnica de Bootstrap

Depois de toda essa explicação, chegamos ao nosso circuito alvo. Ele utiliza uma técnica chamada “bootstrap”. Na verdade o nome é meio genérico, já que possui outras aplicações um pouco diferentes, mas no caso deste circuito o bootstrap irá aumentar a impedância de entrada para o sinal AC.

A ideia é bastante simples, aplicar parte do sinal da saída do amplificador na sua entrada, alterando sua impedância. O circuito a seguir mostra o circuito tradicional de bootstrap para sinais AC.

Técnica de bootstrap para sinal AC
Figura 2 – Técnica de bootstrap para sinal AC

O circuito continua sendo um buffer, mas agora possui um capacitor conectando a saída de sinal ao ponto intermediário dos dois resistores. Em um circuito ideal o capacitor se comporta como um curto-circuito para sinais AC. Como o sinal na saída do buffer é idealmente o mesmo da entrada (ganho unitário), não existirá diferença de potencial sobre o resistor Rina, ou seja, não existe corrente circulando pelo mesmo, o que significa uma impedância infinita.

Muito lindo, mas na prática não é bem assim. O sinal na saída do buffer será um pouquinho menor que o da entrada (quanto maior o ganho de malha aberta, menor essa diferença). Além disso, um capacitor real não se comporta como um curto-circuito, com sua reatância variando com a frequência, o que faz com que o capacitor forme um divisor resistivo dependente da frequência com Rinb. Na prática existirá uma pequena diferença de potencial e, consequentemente, corrente através de Rina, mas mesmo assim a impedância se torna muito maior.

Para o circuito a seguir, com um sinal senoidal de 10 kHz, a impedância de entrada efetiva é aproximadamente 980 M?, muito maior que os 220 k? equivalente aos resistores em série. Para chegar a esse resultado bastou modificar a impedância de saída do sinal (Rout1) até alcançarmos na saída metade do sinal de entrada, como se criássemos um divisor de tensão simétrico.

Verificando a impedância efetiva.
Figura 3 – Verificando a impedância efetiva.

Aproveite a simulação a seguir comparando o circuito comum com o que utiliza bootstrap para entender um pouco mais sobre o comportamento deste circuito bastante útil.

Espero que este circuito seja útil a você leitor. Até o próximo artigo.

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Daniel Sanchez
Daniel Sanchez
18/11/2020 14:28

Parabéns pelo seu artigo e pela didática. Excelente leitura.

Eustáquio C O
Eustáquio C O
25/02/2019 09:32

Bom dia! Estão disponíveis módulos sensor capacitivos por aproximação no mercado. Ao se propor idéias pra cosquiar nossos neurônios, poderíamos fazê-lo por se elaborar um com opamp para controle de nível dágua em reservatórios. Usando talvez um CA 3140, poderias sugerir um circuito, utilizando um impresso pequeno como detetor de aproximação do líquido, para gerar nível H e L 5 V, e aplicar na entrada de um micro para as devidas reações do mesmo, acionando comandos de motores, servos, etc?

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