AMPLIFICADOR OPERACIONAL

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AMPLIFICADOR OPERACIONAL

CAPITULO 2

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2.1.Introduo O amplificador operacional (AO) um dispositivo em CI que tem grandes aplicaes em todas as reas da eletrnica. Como o circuito interno muito complexo toda a analise a ser feita considerando o modelo a ser visto a seguir na Fig 2.1, o qual adequado para a maioria das aplicaes. A Fig2.1a mostra o smbolo do AO e a Fig2.1b o circuito equivalente simplificado.

(a)

(b)

Fig2.1: Amplificador operacional Smbolo e circuito equivalente Na Fig2.1 v1 a tenso aplicada na entrada no inversora e v2 a tenso aplicada na entrada inversora. Vi = v1 v2 o sinal erro ou sinal diferena Ri a resistncia de entrada RO a resistncia de sada Av o ganho de tenso em malha aberta (ganho sem realimentao) Sem nenhuma carga ligada na sada, VS = Av Vi = Av .(v1 v2 ), isto , o AO pode ser considerado basicamente como um amplificador diferencial , pois a sada responde somente diferena entre as duas tenses de entrada, se v1 = v2 VS =0. Um AO idealmente deveria ter as seguintes caractersticas: a) Resistncia de entrada infinita b) Resistncia de sada nula c) Ganho de tenso em malha aberta infinito d) Largura de faixa infinito e) Ausncia de offset na sada( Vs = 0 se v1 = v2 ) f) Slew rate infinito 2.2 Circuitos Bsicos Os circuitos que sero vistos a seguir so considerados bsicos pois derivam a maioria dos circuitos que sero vistos em seguida. 2.2.1. Amplificador Inversor um circuito com realimentao negativa, obtida atravs da rede de resistores R2 e R1 .

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ei a.if e.ed .b /cefe /a e i /2008.1/e eba /a

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Fig2.2.: Amplificador inversor Consideraes: 1. Vamos admitir que o ganho de malha aberta infinito, isto , AV = VS/Vi = infinito, logo Vi = Vs/AV = 0 isto , o ponto A tem o mesmo potencial do terra (dizemos que o ponto A um terra virtual). 2. Tambm consideraremos que Ri infinito e em conseqncia I1 = I2 (a corrente nas entradas do AO so nulas). Feitas as consideraes acima da Fig2.2 obtemos: Ve = R1 .I1 e VS = - R2 .I2 portanto AVf = VS/Ve = - R2 .I2 /R1 .I1 e como I1 = I2 AVf = - R2 /R1 O sinal negativo indica defasagem de 180 entre Ve e VS do circuito A resistncia de entrada do circuito dada por Rif = R1 ( a resistncia efetivamente vista pela fonte Ve. A resistncia de sada que a carga RL enxerga quando olha para o AO dada por:

Exerccios Resolvidos 2.1. Calcule VS e a corrente de sada do AO (IAO ) no circuito.

Soluo: Ve =1V AVf = - 4K7/1K = -4,7 logo Vs = AVf.Ve = -4,7.1V = - 4,7V IL = -4,7V/10K = - 0,47mA( para cima) e IAO = I1 + I2 = 1mA + 0,47mA = 1,47mAa e. e ei a.if e.ed .b /cefe /a e i /2008.1/e eba /a /AOP.h 2/53

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( entrando no AO )Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_1.CIR

2.2. Desenhar os grficos de Vsxt e Vext para o circuito.

Ve = 0,2.senwt(V) Soluo: AVf = Vs/Ve = -10 logo Vs = -10.0,2.senwt = -2.senwt(V) Formas de onda

Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_2.CIR

2.2.2 Amplificador No Inversor o circuito da Fig2.3, no qual podemos observar que a realimentao continua ser negativa, mas o sinal a ser amplificado aplicado na entrada no inversora.

Fig2.3: Amplificador no inversor As mesmas consideraes feitas para o amplificador inversora tambm sero feitas para a obteno do ganhoa e. e ei a.if e.ed .b /cefe /a e i /2008.1/e eba /a /AOP.h 3/53

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com realimentao ( AVf = Vs/Ve ), logo podemos escrever : Ve = R1 .I1 e VS = (R1 + R2 ).I1 o ganho com realimentao ser dado por : AVf = VS/Ve = (R1 + R2 ).I1 /R1 .I1 = (R1 + R2 )/R1 ou AVf = 1 + R2 /R1 A resistncia de entrada com realimentao do circuito muito alta sendo dada por:

E a resistncia de sada muito baixa sendo dada por:

2.2.2.1 - Buffer Um circuito derivado do amplificador no inversor o buffer ou seguidor de tenso o qual obtido a partir da Fig2.3 fazendo-se R1 = infinito (circuito aberto) e R2 = 0 (curto circuito) resultando o circuito da Fig2.4.

Fig2.4: Seguidor de tenso ( buffer) Este circuito caracterizado por ter ganho de tenso igual a 1, altssima resistncia de entrada e baixssima resistncia de sada, sendo calculadas respectivamente por : Rif = Ri .AV e Rof = RO /AV A principal aplicao de um circuito buffer isolar um circuito que tem alta resistncia de sada de uma carga de baixo valor. Exerccios Resolvidos 2.3. Determinar VS no circuito.

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ei a.if e.ed .b /cefe /a e i /2008.1/e eba /a

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Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_3.CIR

Soluo: A tenso de entrada do circuito

como o ganho igual a 2 (1+R2 /R1 ) a sada ser igual a: VS = 2.2V = 4V 2.4. - Qual a mxima amplitude que pode ter a tenso de entrada Ve para que a sada no sature distorcendo a senoide de sada ? Vsat = 10V Soluo: A mxima amplitude de sada 10V, como o ganho AVf = 1 +10K/1K = 11 a mxima amplitude da entrada ser : Vemx = Vsmx/11 = 10V/11 = 0,91V

Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_4.CIR

2.5. - Qual o valor de Ve que resulta numa sada (Vsaida) igual a 8V no circuito ?

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Soluo: O ganho do 2 estgio AVf2 = 4 logo a tenso de entrada do 2 estgio ser Vs1=VS/AVf2 =8V/4=2V O ganho do 1 estgio AVf1 = -2 logo a tenso de entrada do 1 estgio, que a tenso de entrada do circuito ser Ve = VS1 = 2V/-2 = -1V.Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_5.CIR

2.6. - Qual o valor de R para que VS = 6V ?

Soluo: A tenso no ponto A igual tenso no ponto B (a corrente atravs do 10K nula). Como o ganho do segundo AO vale 2, com VS =6V a tenso na entrada (ponto B) ser igual a: VB = 6V/2 = 3V. O 1 AO um buffer, a sua tenso de sada (VA ) igual tenso de entrada (V+), portanto : V+ =R.10V/(R + 10K) = 3V R = 943 OhmsSimulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_6.CIRa e. e ei a.if e.ed .b /cefe /a e i /2008.1/e eba /a /AOP.h 6/53

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2.2.3

Sada de Potncia

A mxima corrente de sada de um AO aproximadamente 20mA. Quando a carga solicitar uma corrente maior, necessrio colocar entre a carga e o AO um reforador de corrente que em geral um transistor na configurao coletor comum. A Fig2.5a um circuito no-inversor com sada de potncia, mas a corrente na carga s circula num sentido. O circuito da Fig2.5b permite que a entrada seja alternada (no semiciclo positivo conduz TR1 e no semiciclo negativo conduz TR2).

(a) (b) Fig2.5: Amplificador no-inversor com sada de potncia Exerccios Resolvidos 2.7. No circuito pede-se calcular: a) Corrente na carga b) Corrente na sada do AO c)Potncia dissipada na carga. Dado: b =200

Soluo: I1 = VR1 /R1 =5V/10K =0,5mA = I2 VR2 = 10K.0,5mA = 5V como VL = VR1 + VR2 = 5 + 5 = 10V IL = 10V/100W = 0,1A = 100mA. b) IE = I2 + IL = 0,5 + 100 = 100,5mA @IC IAO =IB = IC/b = 100,5mA/200 @ 0,5mA c) PDRL = VL .IL = 10V.0,1 A = 1W a potncia dissipada transistor calculada pora e. e ei a.if e.ed .b /cefe /a e i /2008.1/e eba /a /AOP.h 7/53

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PDTR = VCE .IC = 5V.0,1 A=0,5W.Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_7.CIR

2.8. Calcule a potncia dissipada na carga RL .

Ve = 1senwt(V)

Soluo: No semiciclo positivo conduz TR2 e temos o circuito, e considerando o valor de pico da entrada (1V), a corrente em 1K e em 10K ser I =1V/1K =1mA resultando uma tenso na carga de Vs = AVf.Ve = (-10).1V = -10V de forma que a corrente na carga ser igual a IL =-10V/20W = -0,5 A (para cima). No semiciclo negativo as correntes invertem de sentido e agora quem conduz TR1 , e TR2 corta.Ve: Semiciclo positivo

Ve: Semiciclo negativo

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tenso de pico na carga VP =10V como uma tenso senoidal o seu valor eficaz

a potncia dissipada na carga ser

Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_8.CIR

Exerccios Propostos 2.1. Calcular VS em cada caso. 1a.

1b

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2.2. Calcule a corrente na sada de cada AO no ex1 2. 3. O circuito a seguir funciona como uma fonte de corrente constante (mesmo que a carga mude de valor , o valor da corrente no muda 0. Pede-se: a) Valor da corrente na carga (IL ) b) Quais os limites que pode Ter RL , na prtica, para que o circuito possa funcionar como fonte de corrente?

2.4. O circuito um voltmetro de preciso.Qual o fim de escala para cada posio da chave?

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Obs: Os resistores so de preciso. 2.5. O circuito um ohmmetro de preciso e linear. Quais os limites de resistncia que podem ser medidos (fim de escala) em cada posio da chave?

Obs: Os resistores (100W,1K,10K) so de preciso e o voltmetro na sada tem 10V de fim de escala. 2.2.4 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL 2.2.4.1 GANHO DE TENSO E LARGURA DE FAIXA Na prtica o ganho de tenso e a largura de faixa no so infinitos. O ganho de tenso diminui com o aumento da freqncia. A Fig1.12 mostra a curva de resposta em freqncia em

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