Amplificador operacionalOs amplificadores operacionais so um exemplo caracterstico de circuito eletrnicofornecido sob a forma de circuito integrado.Neste captulo voc ter informaes detalhadas sobre os amplificadores operacionais, suas caractersticas e modo de utilizao. Com essas informaes, voc ser capaz de utilizar e reparar equipamentos que os empreguem.Para aprender esses contedos com mais facilidade, voc dever ter conhecimentos anteriores sobre circuito integrado e relao de fase entre sinais.O amplificador operacional, tambm chamado de AO, um CI com caractersticas que o aproximam s de um amplificador ideal.(Figura a seguir)

um circuito verstil, aplicvel em muitas reas especficas da eletrnica, tais como: instrumentao, circuitos industriais, circuitos de udio, circuitos eletrnicos para clculo e filtros de sinais.A denominao amplificador operacional deve-se ao fato de que esses circuitos foram utilizados inicialmente para realizar operaes matemticas como adio, subtrao e multiplicao.Terminais do amplificador operacionalO smbolo utilizado para representar o amplificador operacional um tringulo que aponta no sentido do fluxo de sinal. Ao tringulo so acrescentados terminais que apresentam os pontos de conexo com o circuito externo.Existem fundamentalmente cinco terminais que fazem parte de todos os tipos de amplificadores operacionais:Dois terminais de alimentao;Um terminal de sada;Um terminal de entrada no-inversora;Um terminal de entrada inversora.Veja a distribuio desses pinos na figura a seguir.

Terminais de alimentaoOs amplificadores operacionais apresentam uma caracterstica singular em relao s tenses de alimentao, ou seja, eles so alimentados por duas tenses simtricas (por exemplo: +15 e -15V).A figura a seguir ilustra uma forma comum de alimentao de um AO a partir de uma fonte simtrica.

Observe que os AOs no so ligados diretamente ao terra ou 0V da fonte simtrica. O prprio circuito interno do componente obtm o terra. (Figura a seguir)

Isso no significa que os outros componentes ou circuitos que estejam ligados ao AO no necessitem de terra. O terra para o circuito externo fornecido no terminal 0 de fonte simtrica.Veja na figura a seguir um exemplo de um circuito onde existem componentes externos ligados ao terra.

Terminais de entradaA finalidade de um amplificador operacional realizar uma amplificao tanto de tenses contnuas quanto alternadas. Isso acontece de tal forma que a relao de fase depende da maneira como so ligadas as suas entradas.Assim, os amplificadores operacionais possuem duas entradas de sinal:Uma entrada inversora, indicada pelo sinal - no smbolo do componente;Uma entrada no-inversora indicada pelo sinal +.Para os sinais ou tenses aplicadas na entrada inversora (-), o AO se comporta como um amplificador com relao de fase de 180 entre sada e entrada, ou seja, se o sinal aplicado na entrada - torna-se mais positivo, o sinal de sada torna-se mais negativo. (Figura a seguir)

Para os sinais aplicados entrada no-inversora (+), o AO se comporta como um amplificador com relao de fase de 00entre a sada e a entrada, ou seja, se o sinal aplicado na entrada + torna-se mais positivo, o sinal de sada torna-se mais positivo. (Figura a seguir)

Quando o sinal aplicado entre uma entrada e outra, o AO atua como amplificador diferencial, amplificando a diferena entre as duas tenses de entrada.Caractersticas do amplificador operacionalAs caractersticas (ou parmetros) de um AO so informaes fornecidas pelos fabricantes. Elas possibilitam ao usurio determinar entre diversos AOs aquele que melhor se aplica sua necessidade.As caractersticas mais importantes so:Impedncia de entrada;Impedncia de sada;Ganho de tenso diferencial em malha aberta;Tenso offset de sada;Rejeio de modo comum;Banda de passagem.Essas caractersticas podem ser analisadas segundo dois pontos de vista: considerando o AO como ideal ou considerando-o como real. Por isso, as caractersticas a seguir sero analisadas segundo uma comparao entre o ideal e o real.A impedncia de entrada aquela que existe entre os terminais de entrada do amplificador operacional. denominada Zi.Um amplificador operacional ideal deve apresentar impedncia de entrada infinita (Zi =). Nesse caso, as entradas de sinal no absorvem corrente, operando apenas com tenso.

Como Zi =, Ii=, logo Ii = 0Os amplificadores operacionais reais tm uma impedncia de entrada da ordem de vrios megaohms (MM).Devido a esse alto valor de Zi, os amplificadores operacionais reais podem ser considerados como ideais em relao impedncia de entrada. Essa aproximao do ideal permite que se admita que as entradas de um AO real no absorvam corrente.A impedncia de sada a impedncia do estgio de sada do AO (Zo). No nvel de circuito equivalente, a impedncia de sada pode ser representada como um resistor em srie com o terminal de sada (Zo). (Figura a seguir)

Um amplificador operacional ideal deve apresentar impedncia de sada nula(zero), ou seja, comporta-se como uma fonte de tenso ideal para a carga, sem resistncia interna. (Figura a seguir)

Isso permite que a tenso na sada de um AO ideal dependa apenas dos sinais de entrada e da amplificao, sendo independente da corrente solicitada pela carga. (Figura a seguir).

Em um amplificador operacional real, a impedncia de sada existe e pode variar desde poucos ohms (5, por exemplo) at valores como 1000. Essa impedncia atua como uma resistncia interna e provoca uma queda na tenso de sada.Portanto, a tenso VOna sada de um AO real depende:Das tenses nas entradas;Do ganho do AO;Da corrente solicitada pela carga.ObservaoAtravs de recursos externos ao AO, em alguns casos, pode-se reduzir a impedncia de sada para menos de 1.O sinal a ser amplificado por um AO pode ser aplicado de trs maneiras:Entre entrada inversora (-) e terra;Entre entrada no-inversora (+) e terra;Entre as duas entradas.Quando o sinal aplicado entre uma entrada e a outra, o amplificador atua como amplificador diferencial, amplificando a diferena entre as duas tenses de entrada.Nessa condio o ganho obtido entre sada e entrada denominado de ganho de tenso diferencial e pode ser de dois tipos: em malha aberta e em malha fechada.Nos databooks (circuitos lineares) os fabricantes fornecem o ganho de tenso diferencial em malha aberta (Ad), que a amplificao fornecida pelo AO quando no h ligao externa entre o terminal de sada e entrada (sem realimentao).O ganho de tenso diferencial em malha aberta de um AO ideal deve ser infinito (Ad =).O ganho de tenso diferencial em malha aberta em um AO real varia entre 103e 109. Nos manuais este ganho normalmente expresso em decibis:db = 20 . logO ganho fornecido por um AO pode ser diminudo desde o valor Ad (ganho diferencial em malha aberta) at o valor 1, se necessrio. Essa reduo obtida pela realimentao fornecida por componentes externos ao AO e que interligam a sada com a entrada.Veja o circuito amplificador com AO e com componentes para realimentao (malha fechada). (Figura a seguir)

ObservaoEsta uma das caractersticas mais importantes de um AO: o ganho em malha fechada definido somente pelos componentes externos que fazem a realimentao.A tenso offset de sada qualquer valor de tenso que esteja presente na sada de um AO que tem as entradas aterradas (a zero volt).Em um AO ideal, a tenso offset de sada nula, ou seja, a sada deve estar a zero volt se ambas as entradas forem levadas ao potencial de terra.No AO real a tenso offset da ordem de poucos milivolts.Alguns amplificadores operacionais tm terminais que possibilitam, atravs de circuitos externos, ajustar a tenso de sada para zero quando as entradas forem levadas ao potencial de terra. Este ajuste normalmente denominado de offset null.A figura a seguir mostra smbolo de um AO com dois terminais especficos para esse ajuste.

A rejeio de modo comum (CMRR) a capacidade que um amplificador operacional tem de no amplificar tenses que sejam comuns s duas entradas porque no h diferena a ser amplificada.A rejeio de modo comum tambm conhecida como ganho de modo comum (AVCM).Um amplificador operacional ideal deve ter uma rejeio de modo comum infinita (CMRR =), amplificando apenas a diferena entre a tenso das duas entradas.Um amplificador operacional real amplifica tambm as tenses comuns aos dois terminais de entrada, mas com ganho muito menor (centenas de vezes menor).Como o ganho diferencial no constante ao longo de todas as faixas de freqncias amplificadas, denomina-se banda de passagem a faixa de freqncias em que o ganho do circuito se mantm at 70% do ganho mximo (que corresponde a - 3db em relao ao mximo). O grfico a seguir mostra o ganho de um AO em funo da freqncia amplificada.

Por esse grfico se observa que at 5Hz o ganho do AO constante (106dB= 20000). A partir de 5Hz, o ganho decresce com aumento da freqncia at que em 1MHz, o ganho igual a 1.Existem configuraes de ligao do AO que permitem estender a banda de passagem para at centenas de quilohertz e at mesmo megahertz, no caso de alguns amplificadores operacionais especiais.Amplificador operacional 741Um dos amplificadores operacionais mais usados na atualidade o 741. Seu campo de aplicao to extenso que um grande nmero de fabricantes de circuitos integrados produz amplificadores operacionais com caractersticas e designaes praticamente idnticas (MA 741, LM 741, MC 741, SN 72741).Uma anlise comparativa entre o 741 e um AO ideal mostra que, em muitas caractersticas o 741 pode ser considerado como ideal. Isso mostrado na tabela a seguir.CaractersticaIdeal741

Impedncia de entrada (Zi)()2M

Impedncia de sada (Zo)0 ()75

Ganho em malha aberta (Avol)106dB (200000)

Rejeio de modo comum90dB

Outras caractersticasAlm das caractersticas internas importantes, os manuais trazem especificaes relativas aos fatores externos ao amplificador operacional. Esses valores so mximos e, se excedidos, podem danificar permanentemente o componente. So eles:Tenso de alimentao: + 22V;Dissipao de potncia: 500mW;Tenso de entrada: + 15V (tenso mxima que pode ser aplicada entre uma entrada inversora ou no-inversora e o terra. Em qualquer caso, no deve exceder a tenso de alimentao);Tenso de entrada diferencial: + 30V (tenso mxima que pode ser aplicada entre as duas entradas: inversora e no-inversora);Durao de curto-circuito na sada: indefinida (o AO LM741 tem um circuito interno de proteo contra sobrecarga);Temperatura mxima de operao: 0C a 700C.ObservaoAs caractersticas apresentadas correspondem ao AO LM 741.Ajuste de offset de sadaA figura a seguir mostra a disposio dos terminais do 741 nos encapsulamentos circular e DIL.

Os dois terminais indicados com a designao offset null so utilizados para a correo do offset na tenso de sada atravs do circuito externo.A figura a seguir mostra o AO 741 com o circuito externo necessrio para o ajuste da offset da tenso de sada.

Circuitos lineares com amplificador operacionalNo captulo sobre o amplificador operacional, foram apresentadas caractersticas fundamentais do AO e tambm o ajuste de offset de sada, necessria para o seu correto funcionamento.Neste captulo sero apresentados circuitos aplicativos que utilizam amplificadores operacionais e que so muito usados em equipamentos industriais.Para ter sucesso no desenvolvimento dos contedos e atividades deste captulo, voc dever ter conhecimentos anteriores sobre amplificador operacional e Leis de Ohm e Kirchhoff.Caracterstica de transferncia de um AOO ganho de um AO em malha aberta (sem realimentao) altssimo, atingindo valores da ordem de 10.000 ou mais.Assim, se uma diferena de 10 milivolts for aplicada entre as duas entradas de um AO com um ganho de 10.000, por exemplo, a tenso de sada ser:Vo = (VA- Vs) . AdComo Va - Vb = 10mV, Vo = 0,01 . 10.000 = 100 VPortanto, Vo = 100V.Entretanto, como a maioria dos AOs alimentada a partir de fontes de baixa tenso( 15V, por exemplo), a tenso de sada nunca sobe alm do valor de alimentao. (Figura a seguir)

Quando a tenso de sada de um AO atinge um valor igual (ou prximo) tenso de alimentao, diz-se que ele atingiu a saturao.Como um AO alimentado por tenses simtricas, a saturao pode ocorrer tanto para a tenso de sada positiva quanto para a negativa. Essas situaes so chamadas de saturao positiva e saturao negativa. (Figura a seguir)

Quanto maior for o ganho em malha aberta (Ad) de um AO, menor ser a tenso entre as entradas para lev-lo saturao.Caracterstica de transferncia do amplificador operacionalColocando-se em grfico o comportamento do AO, obtm-se o resultado mostrado a seguir.(Grfico a seguir)

Esse grfico denominado de caracterstica de transferncia do AO.Nesse grfico enquanto a tenso entre as entradas est abaixo de 15mV (positivos ou negativos), a tenso de sada obedece equao Vo= Vi.Ade corresponde a uma verso amplificada do sinal Vi.Essa equao resulta em um comportamento linear (reta inclinada) na regio central da caracterstica de transferncia.Devido linearidade da tenso de sada em funo da tenso de entrada, esta regio denominada de regio linear.Um AO funcionando como amplificador deve trabalhar somente na regio linear, onde a tenso Vo uma rplica amplificada da tenso Vi.O grfico a seguir mostra a caracterstica de transferncia de um AO com as trs regies de funcionamento.

Amplificao da regio de operao linearDevido ao alto ganho de malha aberta, a regio linear muito estreita, situando-se entre alguns milivolts positivos e negativos. (Grfico a seguir)

Isso significa, por exemplo, que, se um AO sem alimentao fosse usado como amplificador de sinais, o sinal de entrada teria que estar limitado a poucos milivolts.Com a utilizao da realimentao negativa, a regio linear de operao de um AO pode ser ampliada atravs da reduo do ganho.A realimentao negativa consiste em fazer retornar uma parte do sinal de sada para a entrada inversora, atravs de um circuito externo.Veja na figura a seguir um amplificador operacional com um divisor de tenso externo (R1e R2) que faz a realimentao negativa.

Supondo-se, por exemplo, um circuito com ganho de tenso Av = 100, estabelecido por R1e R2e com alimentao de + 15Vcc. (Figura a seguir)

A tenso Vo est limitada aos valores + 13V aproximadamente. Para que se obtenha +13V na sada com um circuito com ganho 100, necessrio aplicar + 0,13V ou - 0,13V sua entrada.0,13V . 100 = + 13V

Vo = Vi . Avou

-0,13V . 100 = - 13V

Comparando-se as caractersticas de transferncia de um AO em malha aberta e em malha fechada com ganho 10, no exemplo, verifica-se a amplificao da regio linear de alguns milivolts at 13mV. (Grfico a seguir)

Os grficos mostram como a reduo do ganho permite um aumento da regio linearCircuitos linearesOs circuitos que usam AOs na regio linear so chamados de circuitos lineares. Como exemplo desse tipo de circuito, podemos citar:Amplificador inversor;Amplificador no-inversor;Somador.Amplificador inversorO amplificador operacional possui uma entrada inversora de sinal que permite sua utilizao como amplificador de sinal com inverso de fase de 1800 entre sada e entrada. (Figura a seguir)

Para que o AO opere na regio linear, necessrio acrescentar a malha de realimentao negativa ao circuito. A figura seguinte mostra a configurao de um amplificador inversor com AO.

ObservaoPara maior clareza da figura, foram omitidos os terminais de alimentao e offset.Ganho do amplificador inversorO ganho (Ad) do amplificador inversor depende apenas dos componentes da malha de realimentao. Esta dependncia pode ser comprovada com base numa anlise do circuito. Para isso, vamos considerar a impedncia de entrada como ideal (infinita). Desse modo, a entrada do sinal no absorve corrente do circuito externo. (Figura a seguir)

Uma vez que no h circulao de corrente na entrada do AO, a queda de tenso na impedncia de entrada nula. (Figura a seguir)V2 = 0V1 = Ii . ZiComo Ii = 0, ento V1 = 0V

Tanto a entrada no-inversora (aterrada) como a inversora tm potencial de 0V. Embora a entrada inversora (-) no esteja ligada fisicamente ao terra, seu potencial nulo. (Figura a seguir)

Esse ponto denominado de terra virtual. (Figura a seguir)

Quando se aplica uma tenso entrada do amplificador inversor, uma corrente circula no resistor R1. Como se considera o terra virtual a 0V, o valor desta corrente dado pela Lei de Ohm. (Figura a seguir)I =Vi = I . R1

Uma vez que a entrada do amplificador operacional no absorve corrente, a mesma corrente que circula no resistor R1passa atravs de R2. (Figura a seguir)

O resistor R2est ligado entre a sada do circuito e o terra virtual (0V) de forma que a queda de tenso em R2 igual tenso de sada Vo. Esta tenso pode ser calculada pela Lei de Ohm.Vo = I . R2Como dispomos das equaes de Vo e V1, pode-se determinar a equao do ganho do circuito amplificador inversor.Av =ObservaoO sinal negativo (-) na frente da expresso indica a inverso de fase (180).Simplificando o termo I, comum ao denominador e ao numerador, tem-se a equao pronta:Ad =A equao mostra que o ganho do circuito depende apenas dos componentes que compem a malha de realimentao.A figura seguinte mostra um amplificador inversor com ganho - 10 (10 com inverso de fase).

O resistor R3no influencia no ganho e seu valor deve ser igual ao paralelo R1e R2.R3=Impedncia de entrada do amplificador inversorAdmitindo-se que o terminal de entrada inversora um terra virtual, a impedncia de entrada do circuito (Zi) ser o prprio valor de resistor onde se aplica o sinal, ou seja,Zi = R1. (Figura a seguir)

Impedncia de sada do amplificador inversorA impedncia de sada (Zo) do amplificador inversor sempre muito menor que a impedncia de sada do prprio AO.Os valores tpicos de Zo so menores que 1.Amplificador no-inversorPara a obteno de um amplificador no-inversor, utiliza-se a entrada no-inversora do AO, o que resulta em Vo em fase com Vi.(Figura a seguir)

A malha de realimentao (R2e R1) necessria para manter o AO na sua regio linear de funcionamento.Ganho do amplificador no-inversorO ganho (Av) do amplificador no-inversor normalmente determinado considerando-se o AO como ideal, ou seja, apresentando os seguintes valores:Impedncia de entrada (Zi)= ;Impedncia de sada (Zo) = 0;Ganho diferencial (Ad) = .Com essas aproximaes, que no prejudicam o resultado prtico, a equao do ganho do amplificador no-inversor :Av =Nessa equao dois aspectos so importantes:A ausncia do sinal negativo, que indica que o sinal de sada est em fase com o sinal de entrada;Se R2for muito maior que r1, a equao pode ser simplificada para:Ad =Impedncia de entrada do amplificador no-inversorNo amplificador no-inversor, o sinal de entrada aplicado diretamente entrada no-inversora. Desta forma, a impedncia de entrada (Zi) a prpria impedncia de entrada.Impedncia de sada do amplificador no-inversorA impedncia de sada Zo do amplificador no-inversor tambm sempre menor que a impedncia de sada do prprio AO (Zo).Os valores tpicos so menores que 1.Circuitos aritmticos com amplificador operacionalCircuitos aritmticos com AO so circuitos capazes de realizar operaes aritmticas como soma e subtrao.Circuito somadorO circuito somador aquele capaz de fornecer na sada uma tenso igual soma das tenses aplicadas nas entradas. (Figura a seguir)

Considerando-se que a entrada inversora no absorve corrente e que o ponto A no circuito um terra virtual, pode-se analisar o comportamento do somador.Aplicando-se duas tenses (V1e V2) nas entradas, circularo as correntes I1e I2, cujos valores so: (Figura a seguir)

I1=I2=

As correntes I1e I2se somam no n A e circulam atravs do resistor R3, uma vez que a entrada do AO no absorve corrente. (Figura a seguir)

A tenso de sada dada pela Lei de Ohm:Vo = - (I1+ I2) R3ouVo = - (I1. R3) + (I2. R3)Se os valores de R1, R2e R3so iguais, tem-se:Vo = - (I1. R)+(I2. R)Como I1. R = V1eI2. R= V2, ento:Vo = - (V1+ V2)A tenso de sada numericamente igual soma de V1e V2, porm o sinal negativo devido ao uso de entrada inversora.Se for necessrio obter as somas de V1e V2com o sinal correto, pode-se usar um amplificador inversor com ganho 1 aps o somador. (Figura a seguir)

Deve-se tomar cuidado quando uma das tenses a ser somada for negativa, pois a corrente desta entrada ser diminuda das demais. (Figura a seguir)

O circuito somador pode ser constitudo com qualquer nmero de entradas. (Figura a seguir)