Analogia da Alavanca: Esclarecendo Realimentação Dividida em Amplificadores

Para desmistificar circuitos amplificadores com realimentação dividida, podemos recorrer a um sistema mecânico familiar: uma alavanca. As extremidades móveis da alavanca representam tensões de entrada e saída, enquanto o fulcro — seja um terra físico ou virtual — atua como referência de realimentação.

Considere o clássico amplificador op-amp não-inversor mostrado abaixo. Como discutido anteriormente, seu ganho de tensão nunca pode cair abaixo da unidade. Ao emparelhar um diagrama de alavanca com o esquemático — onde os comprimentos dos braços da alavanca correspondem aos valores dos resistores — podemos visualizar como mudanças de tensão se traduzem em deslocamento mecânico.

Físicos rotulam este arranjo como uma alavanca de terceira classe, porque o esforço (entrada) e a carga (saída) estão do mesmo lado do fulcro. Alavancas de terceira classe exibem um deslocamento de saída que é pelo menos tão grande quanto a entrada, correspondendo ao ganho ≥1 do amplificador não-inversor.

Empurrar o ponto de entrada para cima na alavanca é análogo a aplicar uma tensão de entrada positiva. A geometria da alavanca amplifica o movimento: o ponto de saída move-se duas vezes mais longe e na mesma direção. No circuito, a tensão de saída é igual ao dobro da entrada, preservando a polaridade.

Devido às características de amplificação de deslocamento da alavanca, o ponto "saída" mover-se-á duas vezes mais longe que o ponto "entrada", e na mesma direção. No circuito eletrônico, a tensão de saída será igual ao dobro da entrada, com a mesma polaridade. Aplicar uma tensão de entrada negativa é análogo a mover a alavanca para baixo a partir de sua posição de "zero" nivelada, resultando em um deslocamento de saída amplificado que também é negativo:

Mudar a razão dos resistores R₂/R₁ reposiciona o ponto de entrada em relação ao fulcro, ajustando assim o ganho mecânico. Por exemplo, aumentar R₂ relativo a R₁ desloca a alavanca de modo que o deslocamento de saída se torne quatro vezes a entrada.

Agora, qualquer sinal de entrada será amplificado por um fator de quatro em vez de dois:

Configurações inversoras podem ser mapeadas na analogia da alavanca também, mas com uma classe mecânica diferente. Aqui, o ponto terra do divisor de realimentação é a entrada inversora do op-amp, colocando a entrada de um lado do fulcro e a saída do outro — uma alavanca de primeira classe.

Quando os dois resistores são iguais — espelhando comprimentos iguais dos braços da alavanca em ambos os lados — o deslocamento de saída é igual à magnitude da entrada, mas inverte a direção. Assim, uma entrada positiva produz uma saída negativa.

Ajustar R₂/R₁ novamente desloca o fulcro da alavanca, modulando o ganho. Se R₂ é o dobro de R₁, a geometria da alavanca resulta em ganho de –2. Inversamente, trocar os valores dos resistores move o fulcro para um terço a partir da extremidade de saída, dando ganho de –½.