Amplificadores Single-Ended vs. Diferenciais: Projeto, Operação e Aplicações

Amplificadores Single-Ended vs. Diferenciais

No design de circuitos, as entranhas complexas de um amplificador são frequentemente colapsadas em um único símbolo triangular. Essa abstração mantém os esquemáticos legíveis enquanto ainda transmite a função essencial do dispositivo.

O símbolo mostra dois pinos de fonte de alimentação (+V e –V) e terminais únicos de entrada e saída. Como todos os nós de sinal são referenciados a um ponto comum chamado terra, a entrada e a saída são representadas como condutores únicos. Em muitos circuitos práticos, um trilho de alimentação é aterrado.

Um circuito amplificador realista, completo com fonte de entrada, resistor de carga e fonte de alimentação, parece com isto:

Como o Amplificador Funciona

O esquemático mostra de relance: uma tensão de entrada V_in é amplificada e aciona uma carga R_load. Para realizar qualquer análise detalhada, você adicionaria o ganho de tensão A_V, ganho de corrente A_I, ganho de potência A_P e o ponto de polarização ou Q-point.

Quando um amplificador deve fornecer uma forma de onda CA verdadeira — ou seja, oscilar tanto positiva quanto negativamente —, uma fonte de alimentação split (ou dual) é usada. O terra é posicionado no meio entre os trilhos positivo e negativo, dando ao amplificador uma referência de tensão simétrica.

Com uma alimentação total de 30 V, uma alimentação split produz trilhos ±15 V, permitindo que a saída oscile de +15 V a –15 V. A amplitude pico a pico permanece inalterada, mas a saída agora pode cruzar zero sem componentes de acoplamento adicionais.

Amplificadores Diferenciais

Diferentemente de amplificadores single-ended, um amplificador diferencial amplifica a diferença de tensão entre duas entradas. Usando o símbolo triangular, seu esquemático é:

Os dois pinos de entrada são rotulados (–) e (+), refletindo a influência oposta que cada um tem na saída. O pino de saída está no lado direito, e os trilhos de alimentação no topo e na base.

Para um amplificador diferencial com ganho de tensão 4, as relações entrada-saída são mostradas na tabela abaixo:

Pontos-chave:

• Uma tensão crescente na entrada (+) impulsiona a saída para cima.
• Uma tensão crescente na entrada (–) impulsiona a saída para baixo.
• O pino (–) é a entrada inversora; o pino (+) é a entrada não inversora.

Para auxiliar o entendimento, engenheiros frequentemente modelam um amplificador diferencial como uma fonte de tensão variável controlada por um voltímetro sensível:

Nesta abstração, o galvanômetro (um voltímetro sensível) define a tensão de saída, enquanto os sinais de entrada apenas influenciam o ajuste. A corrente de saída real é retirada da fonte de alimentação, não dos sinais de entrada.

Regras de Polaridade

Quando a tensão diferencial corresponde ao rótulo das entradas, a saída é positiva. Quando a polaridade conflita, a saída é negativa. Isso espelha como um voltímetro digital exibe tensão: a ponta vermelha é considerada positiva.

Como um amplificador diferencial amplifica apenas a diferença entre suas duas entradas, a polaridade da saída depende exclusivamente dos sinais relativos dessas entradas, não de qualquer entrada individual em relação ao terra.

Aplicações Práticas

Amplificadores diferenciais são onipresentes em instrumentação e sistemas de controle:

• Em computadores analógicos, eles comparam dois sinais matemáticos.
• Em instrumentação de processo, medem diferenças entre grandezas físicas (ex.: níveis de fluido em dois tanques) e podem disparar alarmes quando a diferença excede um limiar.
• Em loops de realimentação, comparam uma variável de processo com um ponto de ajuste. O sinal diferencial resultante aciona um controlador (válvula, motor, etc.) para manter o processo próximo ao ponto de ajuste.

Revisão Rápida

• Um símbolo triangular é um atalho para um circuito amplificador; o lado largo é a entrada, o lado estreito é a saída.
• Uma fonte de alimentação split ou dual fornece trilhos +V e –V com terra no ponto médio, permitindo saída CA verdadeira.
• A maioria dos amplificadores tem uma única entrada e uma única saída; amplificadores diferenciais têm duas entradas e uma saída, com a saída proporcional à diferença de entrada.
• A tensão de saída de um amplificador diferencial é dada por V_out = A_V (V_não_inv – V_inv).

Planilha Relacionada

• Planilha Básica de Amplificadores Operacionais