Realimentação (feedback)

Realimentação

Um tema relativamente simples em seus conceitos básicos, mas que causa problemas nos estudos de eletrônica analógica, é a realimentação (feedback) em amplificadores.

Este é o primeiro de uma série de posts, onde veremos o básico sobre o assunto: como realimentar um amplificador. Seguiremos este com dois posts adicionais sobre AMPOPs nas configurações não-inversora (bem simples) e inversora (um pouco complexo).

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Realimentação
Realimentação

Realizaremos uma análise básica sobre realimentação. Para uma discussão completa sobre o assunto recomendo livros sobre eletrônica analógica, como Livro: Microeletrônica (Sedra|Smith) e Livro: Fundamentos de Microeletrônica (Razavi).

Os principais componentes de amplificação são os transistores. É conhecimento comum que os processos de fabricação de transistores não são muito precisos. O processo de fabricação possui tolerâncias extremamente altas em algumas das características dos transistores. Um exemplo é o ganho de corrente base-emissor (hFE ou β), que em alguns transistores pode variar de 50 a 200 em um mesmo lote.

Projetar amplificadores robustos baseados em componentes com tolerâncias absurdas como o ganho de corrente do transistor é complicado. Para auxiliar neste tipo de problema foi desenvolvida a técnica de realimentação como um meio de controlar o ganho de amplificadores.

Por meio da dela podemos fixar o ganho de um amplificador. Desde que o amplificador possua um ganho alto, a equação de ganho realimentado dependem apenas da malha de realimentação.

Realimentação positiva e negativa

De maneira simplificada, realimentação consiste em amostrar a saída de um sistema e subtrair (ou somar) parte desta amostra no sinal de entrada.

Quando somamos o sinal de saída na entrada caracterizamos uma realimentação positiva (positive feedback), que aumenta o sinal de entrada. Realimentação positiva causa instabilidade no amplificador, podendo causar oscilação ou saturação do sinal.

Já quando subtraímos o sinal de saída da entrada caracterizamos uma realimentação negativa (negative feedback), que diminui o sinal de entrada e controla o ganho do amplificador realimentado. Realimentação negativa é muito utilizada.

Na imagem acima vemos um sistema realimentado. O ganho G representa o amplificador, que amplifica o seu sinal de entrada. O sinal de saída do amplificador é amostrado pela malha de realimentação representada pelo ganho H. O sinal amostrado é subtraído do sinal de entrada do sistema. Portanto o sinal de entrada do amplificador depende tanto do sinal de entrada do sistema quanto do sinal de saída do amplificador.

Equação de realimentação

Da imagem do sistema, considerando os sinais de entrada e saída como tensões, acima podemos derivar a equação do ganho de realimentação G_f = vo/vi.

$latex v_o = (v_i – v_o H) G $

$latex v_o = v_i G – v_o GH $

$latex v_o (1 + GH) = v_i G $

$latex v_o = \displaystyle\frac{v_i G}{1 + GH} $

$latex G_f = v_o/v_i = \displaystyle\frac{G}{1 + GH} $

$latex G_f = v_o/v_i = \displaystyle\frac{1}{1/G + H} $

Podemos ver que, se G é muito grande quando comparado com 1 (G é muito maior que a unidade ou G >> 1), o sistema terá um ganho de aproximadamente 1/H.

$latex G_f = v_o/v_i \approx 1/H \qquad \textrm{se }G \gg 1 $

Portanto, ao projetar um amplificador de ganho fixo, podemos utilizar internamente amplificadores com alta tolerância ou variação no ganho, como transistores. Desde que os amplificadores internos possuam alto ganho, a malha de realimentação manterá fixo o ganho do sistema.

Veremos mais no próximo post, onde trataremos de AMPOPs (amplificadores operacionais) e como ocorre a realimentação através das resistências escolhidas.

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Autor: Djones Boni

Engenheiro Eletricista.

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