Amplificador de Escala: Circuito Operacional para Ganho/Atenuação Precisa de Sinal

O Que é um Amplificador de Escala?

Um amplificador de escala é um circuito de amplificador operacional que multiplica uma tensão de entrada por um fator constante e preciso K (fator de escala), onde K pode ser > 1 (amplificação), < 1 (atenuação) ou negativo (inversão + escala). É o bloco fundamental de computação analógica, condicionamento de sinal e aquisição de dados.

Circuito Canônico: Amplificador de Escala Inversor

 Rf Vin ──┬─────[ ]─────┐ │ │ ▼ ▼ (–) (–) | \ | \ | \ Op-Amp | \ | >─────────| >── Vout = –K × Vin | / | / | / | / (+) (+) │ │ GND GND │ [Rin] │ GND 

Função de Transferência

V_out = – (R_f / R_in) × V_in

Fator de Escala K = –R_f / R_in

• |K| > 1: Amplificação (R_f > R_in).
• |K| = 1: Inversor ganho unitário (R_f = R_in).
• |K| < 1: Atenuação (R_f < R_in).

Amplificador de Escala Não-Inversor

V_out = (1 + R_f/R_g) × V_in (K ≥ 1 apenas). Para K < 1, use estágio inversor ou divisor de tensão + buffer.

Considerações de Projeto de Precisão

Fonte de Erro	Efeito em K	Mitigação
Tolerância do Resistor	ΔK/K ≈ ΔRf/Rf + ΔRin/Rin	Redes thin-film 0,01%–0,1%; pares casados (ex.: LT5400, INA159).
TCR do Resistor	Deriva de ganho com temperatura	TCR casado (< 2 ppm/°C tracking); mesmo substrato.
VOS do Op-Amp	Offset de saída = VOS × (1 + K)	Op-amps chopper/zero-drift (LTC2057, ADA4522, OPA388); auto-zero.
IB / IOS do Op-Amp	Tensão de offset através de Rf	Baixo IB (JFET/CMOS); casar Rin||Rf na entrada +.
AOL Finito	Erro de ganho ≈ K / AOL	Alto AOL (> 120 dB); K baixo; ou amp composto.
Largura de Banda / Taxa de Subida	Ganho cai em alta f; distorção em alta dV/dt	GBW >> K × fsinal; SR > 2πfVpico.
CMRR / PSRR	Modulação de ganho por VCM / VCC	Alto CMRR/PSRR op-amps; bypass de alimentação adequado.

Aplicações

• Condicionamento de Sensor: Termopar (mV → V), extensômetro (µV/V → V), fotodiodo (I → V com escala).
• Interface ADC/DAC: Mapear faixa do sensor para full-scale do ADC (ex.: 0–5 V → 0–3,3 V).
• Computação Analógica: Soma, integração, diferenciação (com C no realimentação).
• Ganho Variável / Auto-range: R_f / R_in comutados para extensão de faixa dinâmica.
• Ajuste de Nível Áudio/Vídeo: Matching nível de linha, controle de volume (pot digital no realimentação).

Soluções Integradas

• INA159 / INA159A: Amplificador diferencial ganho unitário de precisão (resistores laser-trimados).
• AD8275 / AD8276: G = 1/5 ou 5, 1/10 ou 10, resistores internos.
• PGA (Amplificador de Ganho Programável): PGA280, AD8250, LTC6910 — controle digital de ganho.
• Pot Digital no Realimentação: AD5270, MCP45xxx — escala ajustável por µC.

Resumo

Um amplificador de escala é um circuito ratiométrico de precisão. Sua precisão depende quase inteiramente do casamento e tracking dos resistores — não do op-amp. Para máxima precisão, use redes de resistores monolíticas ou blocos de ganho integrados.

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