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Amplificador - Operacional

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Amplificadores Operacionais e CircuitosIntroduoO amplificador operacional conhecido abreviadamente por Amp-Op um circuito multi-estgio com entrada diferencial, que produz elevado ganho de tenso, tem alta impedncia de entrada e baixa impedncia de sada. A figura a seguir mostra o circuito eltrico de um amplificador operacional integrado.

Os Amp-Op so empregados atualmente em diversas aplicaes, mas no incio de seu desenvolvimento eram empregados basicamente nas reas de computao e instrumentao analgicas. Eram construdos com componentes discretos (vlvulas e depois transistores e resistores) que elevava o seu custo. Em meados dos anos 60, foi produzido o primeiro circuito intergrado que passou a ser conhecido por uA 709. Este circuito integrado era feito de um nmero relativamente alto de transistores e resistores todos em uma mesma pastilha de silcio. Embora suas caractersticasEletrnica I 1

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fossem inferiores (comparadas com os padres atuais) e seu custo muito alto, seu surgimento sinalizou uma nova era no projeto de circuitos eletrnicos. Os engenheiros iniciaram o uso dos Amp-op's em larga escala o que causou uma queda acentuada em seu preo. Em poucos anos estavam disponveis no mercado amplificadores operacionais integrados de alta performance e custo reduzido.

Caractersticas ideais e simbologia

Vo = Av.(VB VA)A expresso acima a equao fundamental do amplificador Operacional, onde os termos tm o seguinte significado:Vo a tenso de sada Av o ganho do amplificador sem realimentao VB a tenso na entrada no inversora VA a tenso na entrada inversora

O Amp-Op ideal tem as seguintes caractersticas: a) b) c) d) e) Resistncia de entrada infinita Resistncia de sada nula Ganho de tenso infinito Resposta em freqncia infinita Insensibilidade temperatura(drift nulo)

Amplificador operacional realNa prtica os Amp-Ops so circuitos integrados que, como qualquer sistema fsico tem suas limitaes. Um dos Amp-Ops mais

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difundidos at hoje o 741, que recebe inmeras codificaes de acordo com seu fabricante, como por exemplo: uA741, LM741 entre outras. O Amp-Op 741 mostrado na figura a seguir:

A descrio dos pinos a seguinte: 1 e 5 - So destinados ao balanceamento do amp-op (ajuste da tenso de off-set) 2- Entrada inversora 3- Entrada no-inversora 4- Alimentao negativa (-3V a -18V) 7- Alimentao positiva (+3V a +18V) 6- Sada 8- No possui nenhuma conexo Resistncia de entrada Uma das caractersticas importantes do amplificador operacional elevada resistncia de entrada ( rent ).

Para amplificadores com transistores bipolares de juno, como o 741, esta resistncia de 1 M .

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Amplificadores Operacionais com transistores de efeito de campo-FET na entrada, tm resistncias de entrada ainda mais elevadas. Estes amplificadores so usados em instrumentao, onde a resistncia elevada muito importante para no influenciar no circuito que esta sendo medido. Outra caracterstica importante do Amp-Op a resistncia de sada( rsada ) que para o 741 da ordem de 75 .

Operando com tenses relativamente baixas e tendo uma resistncia de sada de baixo valor, o Amp-Op pode no fornecer em sua sada corrente elevada, mas suficiente para ser empregado em um nmero enorme de aplicaes acionando diretamente diversos dispositivos. Ganho de tenso em malha aberta Av O Amp-Op real apresenta um ganho de tenso em malha aberta de valor elevado, que diminui, porm com o aumento da freqncia.

O ganho de tenso em malha aberta do 741 de 100.000.Eletrnica I 4

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Ganho de modo comum Na prtica, a tenso de sada de um amplificador operacional depende do nvel mdio, ou de modo comum, do sinal aplicado nas entradas. Esta dependncia, designada Ganho de Modo Comum, indica basicamente que a tenso na sada uma funo no apenas da diferena de potencial entre os terminais positivo e negativo da entrada, mas tambm do nvel mdio comum a ambos.

Admitindo-se que a tenso diferencial nula, mas que os nveis comuns nos terminais no so , a tenso na sada do circuito no nula. Esta variao da tenso na sada deve-se ao fato de o amplificador na realidade se caracterizar por uma relao do tipo

Vo = Ad.Vd + Ac.Vconde ( Ac e Vc ) representam, o ganho de modo comum e a tenso de modo comum na entrada, onde Vc = (Vi1 + Vi 2 ) e ( Ad e Vd ), o ganho diferencial e a tenso diferencial entre os terminais positivo e negativo, onde Vd = A.(Vi 2 Vi1 ) . Naturalmente, sempre desejvel que o Amp-Op se caracterize por uma elevada diferena entre os valores do ganho diferencial Ad e de modo comum Ac , isto , se caracterize por uma razoAd to elevado quanto possvel. Na prtica, caracteriza-se um Amp-Op Ac Ad , em vez de referir o ganho de modo comum. atravs da razo Ac 1 2

CMRR =

Ad Ac

A razo denominada Razo de Rejeio de Modo Comum (Common Mode Rejection Ratio). Hoje em dia comercializam-se Amp-Ops cujo CMRR pode variar entre os 75 e os 140 dB.Eletrnica I 5

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Tenso de Off SetDefine-se tenso de off set de um Amp-Op como a diferena de potencial necessria entre os terminais de entrada para anular a tenso de sada. Pelo fato de os Amp-Op's serem dispositivos com os diversos estgios internos diretamente acoplados, com alto ganho em corrente contnua, apresentam problemas decorrentes da polarizao. Um problema a tenso de offset. Para entender esse problema considere o seguinte experimento terico: se os dois terminais do Amp-op forem ligados juntos e conectados ao terra, ser observado que existe uma tenso contnua finita na sada.

Realmente, se o Amp-Op tem um alto ganho CC, a sada poder, devido ao fato dos transistores no serem exatamente iguais, estar em um dos dois nveis de saturao, positivo ou negativo. Para solucionar este problema do Amp-Op retornando ao seu valor ideal de 0v deve se conectar uma fonte CC de polaridade inversa e valor apropriado entre seus terminais de ajuste de ajuste de off set. Essa fonte externa compensa a tenso de entrada de offset do Amp-Op.

Tenso de saturaoO funcionamento linear de um amplificador operacional garantido apenas numa faixa limitada de tenses de sada, definida durante sua utilizao, atravs das tenses de alimentao utilizadas ou durante a fase de projeto do circuito. A relao entre as tenses na sada e

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nas entradas de um Amp-Op linear apenas na faixa compreendida entre as tenses de saturao limitada pelas tenses de alimentao, +Vcc e -Vcc. A faixa de valores permitida, uma funo da arquitetura do amplificador e das tenses de alimentao, sendo em geral da ordem de 80 a 90% da faixa definida pelas tenses de alimentao.

Slew rateDefine-se slew rate como a taxa mxima de variao da tenso na sada de um Amp-Op por num intervalo de tempo. O slew rate (SR) uma caracterstica associada topologia do amplificador e s correntes utilizadas internamente na polarizao. Uma das conseqncias da taxa de slew rate a imposio de um limite freqncia mxima dos sinais na sada sem distoro. O slew rate especificado em V / s , volt por micro-segundo.SR = Vo t

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Modos de Operao do Amplificador OperacionalO amplificador operacional pode ser utilizado basicamente de trs modos distintos.

Sem Realimentao

Os circuitos comparadores so circuitos utilizados para comparar tenses com uma referncia fixada. Comparadores podem ser obtidos com o amplificador operacional sem realimentao, isto , em malha aberta.

Com Realimentao Positiva

Circuitos comparadores e osciladores so aplicaes com amplificadores operacionais operando com realimentao positiva.

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Com Realimentao Negativa

Muitos circuitos amplificadores podem ser obtidos utilizandose este modo de operao do amplificador operacional com realimentao negativa. - amplificador inversor - amplificador no inversor - amplificador diferenciador - amplificador integrador - amplificador somador inversor - filtros ativos - etc..

A Realimentao NegativaO processo de realimentao negativa permite o controle do ganho do circuito realimentado. Veja um sistema genrico, trabalhando em malha fechada com realimentao negativa.

As variveis desse sistema tm o seguinte significado: Vi - o sinal de entrada Vo - o sinal de sada Vd - o sinal diferencial Vf - o sinal realimentado Avo - o ganho em malha aberta(ganho do Amplificador Operacional) B - o fator de realimentao negativaEletrnica I 9

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Anlise do sistemaO sinal diferencial de entrada igual a diferena dos sinais de entrada e realimentado.Vd = Vi Vf Vd = Vo Avo 1 2

O sinal diferencial tambm pode ser escrito como: O sinal realimentado igual ao sinal de sada multiplicado pelo fator de ganho.Vf = B.Vo 3 4

Substituindo a equao 2 na equao 1, temos:Vo = Vi Vf Avo

Substituindo a equao 3 na equao 4, temos:Vo = Vi B.Vo Avo 5

Arranjando os termos da equao 5, temos:Vo Avo = Vi 1 + B. Avo Vo Chamando a razo Avf = , ento: Vi Avf = Avo 1 + B. Avo

Como o ganho em malha aberta do amplificador elevado e idealmente infinito, ento fazendo Avo Conclumos que no sistema realimentado, o ganho depende do fator de realimentao, e portanto, podemos escrever:Avf = 1 B

A figura a seguir mostra a curva de resposta em freqncia de um circuito quando utilizamos realimentao negativa. Como vimos, podemos estipular um ganho para o circuito e conseqentemente a largura de faixa de operao.

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Curto Circuito Virtual e Terra VirtualO conceito de curto circuito virtual e terra virtual muito importante na anlise de circuitos com amplificadores operacionais. Veja a seguir como provado, para um circuito inversor.

No circuito como a resistncia de entrada tem valor infinito, ento podemos escrever:I1 = If

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