Amplificador operacional

Um amplificador operacional 741 num encapsulamento metlico TO-5. Um amplificador operacional ou amp op um amplificador com ganho muito elevado. Tem dois terminais de entrada: um terminal designado por terminal inversor(-) e o outro identificado por terminal no inversor(+). A tenso de sada a diferena entre as entradas + e - , multiplicado pelo ganho em malha aberta:

A sada do amplificador pode ser nica ou diferencial, o que menos comum. Os circuitos que utilizam amp ops frequentemente utilizam a realimentao negativa (negative feedback). Porque devido ao seu ganho elevado, o comportamento destes amplificadores quase totalmente determinado pelos elementos de realimentao (feedback).

Histria

GAP/R's K2-W: AmpOp com vlvulas (1953).

GAP/R's modelo P45: AmpOp com transstores (1961).

GAP/R's modelo PP65: AmpOp com transstores incorporados numa embalagem comum (1962).

ADI's HOS-050: AmpOp em Circuito Integrado hbrido de alta velocidade (1979). O amplificador operacional recebeu este nome porque foi projectado inicialmente para realizar operaes matemticas utilizando a tenso como uma analogia de uma outra quantidade. Esta a base dos computadores analgicos onde os amp ops eram utilizados para realizar as operaes matemticas bsicas (adio, subtrao, integrao, diferenciao, e outras). Neste sentido, um verdadeiro amplificador operacional um elemento do circuito ideal. Os amplificadores reais utilizados, feitos de transstores, vlvulas, ou outros componentes amplificadores, so aproximaes deste modelo ideal. Os amp ops foram desenvolvidos na era das vlvulas termoinicas, onde eles eram usados em computadores analgicos. Os amp op modernos so normalmente construdos em circuitos integrados, apesar de ocasionalmente serem feitos com transistores discretos, e geralmente possuem parmetros uniformes com encapsulamentos e necessidades de alimentao padronizados, possuindo muitos usos na eletrnica. A maioria dos amp ops simples, duplos ou quadruplos disponveis possuem uma pinagem padronizada que permite que um tipo seja substitudo por outro sem mudanas na pinagem. Um amp op especfico pode ser escolhido pelo seu ganho em malha aberta, largura de banda, nvel de rudo, impedncia de entrada, consumo da potncia, ou uma combinao de alguns destes fatores. Historicamente, o primeiro amp op integrado a tornar-se largamente disponvel foi o Fairchild UA-709, no final dos anos 60, porm isto foi rapidamente modificado pela performance superior do 741, que mais fcil de utilizar, e provavelmente o mais conhecido da eletrnica - todos os principais fabricantes produzem uma verso deste chip clssico. O 741 possui transstores bipolares, e segundo os padres modernos possui uma performance considerada mdia. Projectos melhorados baseados no transstor FET surgiram no final dos anos 70, e as verses com MOSFET no incio dos anos 80. H ainda os chamados amp ops Bi-FET, que combinam transstores bipolares e MOSFETs, e que aproveitam as melhores caractersticas de ambos. Bi-FETs tpicos so os CA3130 e CA3140 da RCA. Os amplificadores operacionais modernos

AmpOp em embalagem DIP (Dual In-Line Package) - apresentao actual. A maioria dos amplificadores de propsito geral so vendidos a menos de um euro cada. Os projetos modernos so feitos considerando uma srie de

irregularidades de modo que muitos amp ops produzidos podem aguentar curto-circuitos nas suas sadas sem nenhum dano. Uma das chaves para a usabilidade destes circuitos est no princpio da engenharia de realimentao, particularmente a realimentao negativa, que constituiu a fundao de praticamente todos os controle de processos automticos. Os princpios mostrados aqui ilustram parte do foco da eletrnica. importante perceber que o amp-ops padro usado nos circuitos mostrado com o idealismo da caixa negra (uma caixa com apenas entradas e sadas). Os amp-ops reais so circuitos integrados complexos. O amplificador operacional ideal O amplificador operacional ideal tem um ganho infinito em malha aberta, largura de banda infinita, impedncia de entrada infinita, impedncia de sada nula e nenhum rudo, assim como offset de entrada zero (exactamente 0 V na sada quando as duas entradas forem exatamente iguais) e nenhuma interferncia trmica. Os circuitos integrados de amp ops utilizando MOSFETs so os que mais se aproximam destes valores ideais em limites de largura de banda. O amplificador operacional provavelmente o dispositivo nico mais bem sucedido na rea de circuitos eletrnicos analgicos. Com apenas alguns poucos componentes externos, ele pode ser ajustado de modo a fazer uma grande variedade de funes em processamento de sinal. Tambm possui um preo relativamente baixo. Notao Um smbolo eltrico para o amplificador operacional mostrado abaixo:

Os seus terminais so:

V+: entrada no-inversora V: entrada inversora Vout: sada VS+: alimentao positiva VS: alimentao negativa

Os pinos de alimentao (VS+ e VS) podem ser nomeados de diferentes formas. Ver pinos de alimentao dos CIs. Para amp ops baseados em tecnologia FET, o positivo, ou alimentao de dreno comum chamada do V DD e o negativo, ou alimentao de fonte comum chamado de V SS.

Para amp ops baseados em TJB (BJT), o pino VS+ torna-se VCC e o pino VS torna-se VEE. Eles so muitas vezes chamados VCC+ e VCC, ou mesmo V+ e V, no caso de as entradas serem nomeadas diferentemente, a funo permanecer a mesma. Muitas vezes estes pinos so retirados dos esquemas eltricos para uma maior clareza, e a configurao de alimentao dada ou previsvel atravs do circuito. A posio dos pinos de polaridade pode ser invertida em diagramas para uma maior clareza. Neste caso, os pinos de alimentao continuaram na mesma posio: o pino de alimentao mais positivo sempre no topo, e o pino de alimentao mais negativo na parte inferior. O smbolo inteiro no invertido, apenas as suas entradas de alimentao. Uso no projeto de sistemas eletrnicos A possibilidade de usar os modelos em blocos dos amplificadores operacionais durante o projeto de circuitos faz com que circuitos complicados se tornem mais simples para se trabalhar e compreender, especialmente em esquemas muito grandes. Os amp ops podem ser usados como se tivessem propriedades idealizadas (ganho infinito, dissipao de calor perfeita, resposta de frequncia estvel, impedncia de entrada infinita, impedncia de sada nula, e outras respostas ideais). Aps o projeto inicial do circuito ter sido concludo (e muitas vezes modelado em computador), amp ops especficos so escolhidos de modo a serem o mais prximo possvel dos critrios de projeto e de custo. Pode ocorrer que um amp op com todos os parmetros desejados no possa ser encontrado e ento procura-se o amplificador operacional que mais se aproxime da sua funo pretendida no seu sub-circuito. O circuito projetado provavelmente precisar de modificaes para aceitar as qualidades dos amplificadores operacionais reais (performance menos-queperfeita em muitas reas). O mesmo feito para praticamente todas as partes eletrnicas durante do desenvolvimento do projeto (onde estas tambm so utilizadas como perfeitas), isto deve ser feito de modo a fazer com que os componentes reais ajam o mais prximo possvel dos ideais. Este processo de desenvolver os circuitos com partes ideais e ento ajusta-las de acordo com suas verses reais comumente verdadeiro em todos os componentes eletrnicos incluindo capacitores, indutores, resistncias, transistores, diodos, etc. Aps as modificaes necessrias, o resultado um circuito final utilizando amp ops ideais. O objetivo do projeto que qualquer erro ou discrepncia restante seja insignificante na prtica.

Comportamento em Corrente Contnua O ganho em malha aberta definido como a amplificao da entrada para a sada sem nenhuma realimentao (feedback) aplicada. Para a maioria dos clculos prticos, o ganho em malha aberta definido como infinito; na realidade, entretanto, ele limitado pela quantidade de tenso aplicada alimentao do amplificador operacional, (terminais Vs+ e Vs- no diagrama acima). Os dispositivos tpicos possuem um ganho de malha aberta em Corrente Contnua entre 100,000 e 1 milho. Isto permite que o ganho da aplicao seja ajustado utilizando a realimentao negativa. Os amp ops possuem limites de performance que o projetista deve manter em mente e muitas vezes trabalhar em torno disto. Comportamento em Corrente Alternada O ganho do amp op calculado em CC no se aplica a corrente alternada a frequncias mais altas. Isto ocorre devido s limitaes do componente, tais como sua largura de banda finita, e s caractersticas em CA do circuito ao qual colocado. O problema mais bem conhecido no desenvolvimento de projetos com amp ops a tendncia de estes ressonarem a Altas frequncias, em que mudanas na realimentao negativa mudam para realimentao positiva devido mudana de fase. Os amp ops tpicos, de baixo custo possuem uma largura de banda de alguns MHz. Amp ops especficos e de alta velocidade podem atingir uma largura de banda de centenas de MHz. Para circuitos de frquncia muito alta, um tipo completamente diferente de amp op, chamado amplificador operacional de realimentao de corrente frequentemente usado. O circuito bsico do amp op O amplificador operacional genrico possui duas entradas e uma sada. A tenso de sada um mltiplo da diferena entre as duas entradas (alguns so feitos com sadas diferenciais flutuantes):

G o ganho em malha aberta do amp op. Assumimos que as entradas possuem impedncia muito alta; uma corrente desprezvel ir fluir para dentro e para fora das entradas. As sadas do amp op possuem uma impedncia muito baixa. Se a sada conectada entrada inversora, aps passar por um divisor de tenso, ento:

logo:

Definindo o ganho de realimentao de malha fechada como resultado um amplificador linear com ganho:

vemos que o

Se G muito grande (em geral est na ordem de grandeza de 100.000), se aproxima de .

Esta conexo de realimentao negativa, tambm chamada de configurao de amplificador no inversor, o uso mais comum de um amp op, porm muitas configuraes diferentes so possveis, fazendo dele um dos mais versteis blocos de construo em eletrnica.

Quando conectado em uma configurao de realimentao negativa, o amp op ir tentar mudar a tenso de Vout de modo a deixar as tenses de entrada iguais. Isto, aliado alta impedncia de entrada, so muitas vezes chamados de "as duas regras douradas" dos pojetos com amp ops (para circuito que utilizam realimentao): 1. Nenhuma corrente ir fluir nas entradas. 2. As tenses, ou seja os potenciais em relao ao terra, nas duas entradas sero iguais (nos casos em que h realimentao da tenso da sada na entrada). Uma exceo ocorre caso a tenso necessria para esta situao seja maior do que a alimentao do amp op, neste caso a tenso do sinal de sada se fixa perto dos extremos da alimentao, VS+ ou VS. Limitaes dos amp ops Apesar de a maioria dos circuitos com amplificadores operacionais se basearem nas "regras douradas" descritas acima, os projetistas tambm devem estar atentos ao fato de nenhum amp op real poder atingir estas carectersticas exatamente. Abaixo so listadas algumas da limitaes dos amp ops reais, assim como o modo como estas afetam o projeto dos circuitos. Imperfeies em CC:

Ganho finito - este efeito mais evidente quando se tenta atingir um ganho prximo ao ganho inerente do amp op. Impedncia de entrada finita - isto limita superiormente as resistncias no circuito de realimentao. Impedncia de sada maior que zero - importante para cargas de baixa resistncia. Exceto para sadas de baixa voltagem, as consideraes com consumo geralmente so mais importantes. corrente de entrada - uma pequena quantia de corrente (tipicamente ~10 nA) fluindo nos pinos de entrada necessria para o funcionamento apropriado. Este efeito agravado pelo fato de a corrente se levemente diferente entre os pinos de entrada. Este efeito geralmente so importante para circuito de potncia muito baixa. Tenso de offset de entrada - o amp op ir produzir uma tenso de sada mesmo que os pinos de entrada estejam com exatamente a mesma voltagem. Para circuitos que necessitam de uma operao precisa em corrente contnua, este efeito deve ser compensado. A maioria dos amp ops comerciais dispe de um pino de offset para este propsito.

Imperfeices em CA:

Largura de banda Finita - todos os amplificadores possuem uma largura de banda finita. Entretanto isto mais evidente nos amp ops, que utilizam compensao de frequncia interna para evita a produo no intencional de realimentao positiva.

Capacitncia de entrada - o mais importante para a operao em alta frequncia.

Imperfeies no-lineares:

Saturao- a tenso de sada limitada a um valor de pico levemente menor do que o valor da tenso de alimentao. Taxa de renovao - a taxa de mudana da tenso de sada limitada (geralmente pela compensao interna utilizada)

Consideraes em potncia:

Potncia eltrica limitada - se uma sada com um alto valor de potncia desajada, deve-se utilizar um amp op especficamente projetado para este propsito. A maioria dos amp ops so desenvolvidos para operaes de baixa potncia e so tipicamente capazes de alimentar cargas de resistncia com o valor mnimo de 2 kilohms. Proteo contra curto-circuito - isto caracteriza mais uma capacidade do que uma limitao, apesar de impor limites nos projetos. A maioria dos amp ops comerciais limitam a corrente de sada quando ela excede um valor especfico (cerca de 25 mA para o 741).

Circuito interno do 741

Diagrama eltrico do ampop 741.

Apesar de ser fcil e prtico utilizar os amplificadores operacionais como blocos com caractersticas de entrada/sada perfeitas, importante conhecer as funes internas, de modo a poder lidar com problemas que podem surgir devido a limitaes de projeto internas. O circuito varia entre os produtores e fabricantes, porm todos os amp ops possuem basicamente a mesma estrutura interna, que consiste de trs estgios: 1. Amplificador diferencial o Estgio de entrada - prov amplificao com baixo rudo, alta impedncia de entrada, geralmente com uma sada diferencial 2. Amplificador de tenso o Prov um alto ganho de tenso,geralmente com uma nica sada 3. Amplificador de sada o Estgio de sada - provs a capacidade de fornecer alta corrente, baixa impedncia de sada, limite de corrente e proteo contra curto-circuito.