Amplificadores Operacionais - Eletrônica e Instrumentação

Eletrônica e Instrumentação Curso de Engenharia de Produção – 7ª e 8ª séries Página 1

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Amplificadores Operacionais

O amplificador operacional ou simplesmente (Amp Op) é um dispositivo em circuito integrado (CI), que foi projetado inicialmente para realizar operações matemáticas como soma, subtração, integração, diferenciação, etc., daí o nome operacional.

Utilização:

O amplificador operacional têm grandes aplicações em todas as áreas da eletrônica,

mas principalmente em sistemas de controle e regulação, operações aritméticas,

instrumentação, processamento e geração de sinais.

Um único amplificador operacional pode realizar as mais diferentes funções, sendo estas determinadas por alguns componentes conectados externamente. A arquitetura O Amp. Op. possui internamente uma centena de elementos como transistores, diodos resistores e pequenos capacitores formando um circuito bastante complexo.

Diagrama de blocos de um Amplificador Operacional

Entrada

diferencial

Entrada

intermediário

Seguidor de

Emissor

Push pull

Vin Vout

1) Entrada diferencial O Amp-Op é caracterizado pela sua entrada diferencial, ou seja, possui duas entradas, sendo uma inversora e outra não inversora. a) Entrada inversora (−): um sinal aplicado nesta entrada aparecerá na saída, amplificado e com polaridade invertida.

b) Entrada não inversora (+): um sinal aplicado nesta entrada aparecerá na saída, amplificado e com a mesma polaridade.


VE

VS

VE

VS

Entrada inversora Entrada não inversora

2) Estágio intermediário Compensa eventuais distúrbios operacionais entre entrada e saída como, perda de amplitude de sinal, casamento de impedâncias, etc. 3) Seguidor de emissor push pull Possui alta impedância de entrada e baixa impedância de saída, deve ser usado entre fontes de alta impedância e cargas de baixa impedância, minimizando assim, perdas através da impedância da fonte.

Entrada não inversora

Entrada inversora

R entrada

R saída

Alimentação negativa

Alimentação positiva

V saída = A.V entrada

A.V entrada

Um Amplificador operacional pode ser entendido como um circuito amplificador de alto ganho, onde a entrada é representada por uma resistência de alto valor e a saída por uma fonte de tensão controlada e uma resistência em série. Idealmente, o amplificador deve responder apenas à tensão diferencial aplicada entre os terminais de entrada. Um sinal, variando no sentido positivo, aplicado na entrada não inversora produzirá, na saída, um sinal também variando positivamente, enquanto o mesmo aplicado na entrada inversora provocará um sinal variando no sentido negativo em sua saída.


Simbologia O amplificador operacional é representado por um triângulo que aponta em direção ao fluxo de sinal.

6

3

2

6

3

2

1 7

5

8 4

Simbologia Simplificada Simbologia Completa

Obs: Os sinais de (+) e (–) representam respectivamente as estradas não inversora e inversora do Amp-Op. Pinagem e Descrição: Comercialmente, há diversos tipos de circuitos integrados de amplificadores operacionais. Na figura abaixo, temos como exemplo o LM741.

1

2

3

4

8

7

6

5

Entrada invertida

Entrada não invertida Saída

V

V

NCAjuste de off set 741

Ajuste de off set


O ajuste de Offset

O fato dos transistores do estágio diferencial de entrada do amplificador operacional não serem idênticos, provoca um desbalanceamento interno do qual resulta uma tensão na saída denominada tensão de OFFSET de saída, mesmo quando as entradas são aterradas. Assim, os pinos 1 e 5 do AOP 741 são conectados a um potenciômetro e ao pino 4. Isto possibilita o cancelamento do sinal de erro presente na saída através de um ajuste adequado do potenciômetro. A importância do ajuste de offset está nas aplicações onde se trabalham com pequenos sinais (da ordem de mV), por exemplo em instrumentação petroquímica, nuclear, médica. A figura abaixo mostra um chip LM339 que contém quatro amp ops.

1 2 3 4 5 6 7

891011121314

V

Gnd

1 2

34 LM

33

9

Alimentação do Amplificador operacional

+ ou – (mais ou menos) 18 VDC é a máxima tensão que se pode alimentar o amp op com segurança. (Pino 7 - alimentação positiva e pino 4 - alimentação negativa). Na maioria das aplicações, o amplificador operacional deve ser alimentado com tensão simétrica, ou seja, +VCC e −VCC. Porém, em algumas aplicações a alimentação simples, também pode ser usada.

Uma tensão simétrica é uma fonte de corrente contínua, onde temos duas saídas de

tensão de valores iguais (em módulo), mas com polaridades invertidas em relação a

um terminal comum.


GND GND

15 V 15 V

15 V 15 V

Configurações Básicas com Amplificadores Operacionais

A principal função do amplificador operacional é a de amplificar tensão. Dentre as várias destas aplicações, mostramos a seguir as mais básicas e/ou comuns encontradas na prática. 1) Sem Realimentação Nessa configuração o Amp-OP e utilizado sem nenhum componente externo, ou seja, o ganho é estipulado pelo fabricante. Assim, a saída do operacional estará sempre saturada em + VSAT e −VSAT.

2

3

6

+ VCC

− VCC

Aplicações:

– Comparadores;

– Detectores de nível.

2) Com Realimentação Negativa

Este modo de operação é o mais importante em circuitos com Amp-Op. Em um

sistema realimentado, a saída é amostrada e parte dela é enviada de volta para a

entrada inversora. O sinal de retorno é combinado com a entrada original e o resultado

é uma relação saída/entrada bem definida e estável.


2

3

6

+ VCC

− VCC

VS

VE

R1

Rf

Aplicações: – Inversores, não inversores e buffers; – Somadores e subtratores; – Integradores e diferenciadores; – Filtros ativos; – Conversores V/I e I/V; – Retificadores de precisão; – Ceifadores, limitadores e grampeadores; – Etc..

3) Com Realimentação Positiva

Parte do sinal de saída retorna à entrada não inversora, através de um resistor de

realimentação. Esta configuração apresenta alguns inconvenientes, pois, este tipo de

realimentação conduz o circuito a instabilidade.

Neste modo de operação, o Amp-Op não trabalha como amplificador, pois sua

resposta é não linear.

2

3

6

+ VCC

− VCC

VS

VE

R1

Rf


Aplicações: – Comparadores com histerese; – Multivibradores; – Osciladores.

1) Amplificador Inversor Este circuito é sem dúvida, um dos mais utilizados na prática, por vários motivos: – Permite o ajuste de ganho desde zero – Inversão de fase – Baixa tensão em modo comum – Terra virtual – Permite a instalação de limitadores

Segue abaixo, o circuito inversor básico:

R1

Rf

+ VCC

− VCC

Sinal de

entrada VE

Sinal de

saída VS

Realimentaçãonegativa

2

3

7

4

6

Neste circuito a entrada não inversora é aterrada, sendo o sinal aplicado à entrada

inversora através de uma resistência R1, com realimentação da saída para a entrada

por uma resistência Rf.

VS =Rf

R1

. VE

A relação Rf / R1, determina o ganho do circuito VS, o sinal negativo indica uma

inversão do sinal de entrada (180º).

Ganho de tensão diferencial do circuito inversor:


AV =Rf

R1

Terra Virtual

É um nó que tem tensão zero em relação ao terra, mas ele não está aterrado

fisicamente.

As correntes no circuito inversor:

Rf

+ VCC

− VCC

2

3

7

4

6

R1

I1If

IS

IL

IB1 = IB2 = 0

Terra

VirtualRL

As correntes IB1 e IB2 são chamadas de correntes de polarização das entradas, pois

elas estão relacionadas com os transistores presentes no estágio diferencial de

entrada do Amp-Op.No manual do fabricante do 741, encontramos a denominação

“Input Bias Current”, ou seja, corrente de polarização de entrada, representada por IB,

a qual é a média das correntes IB1 e IB2.

Portanto:

IB =2

IB1 + IB2

Para o 741, o valor típico de IB é de 80 ηA, valor muito pequeno, mas não nulo.


2) Amplificador Não Inversor

O amplificador não inversor não apresenta defasagem do sinal de saída, mas

apresenta uma alta impedância de entrada, sendo que, a mesma é igual ao produto da

resistência de entrada do Amp-Op por um fator muito grande.

Como o sinal de excitação de entrada é aplicado ao terminal (+), ou não inversor.

Como resultado obtém-se uma tensão de saída, cuja polaridade ou fase seja

exatamente igual à da tensão de entrada.

A entrada inversora é aterrada por meio de um resistor R1.

R1

Rf

+ VCC

− VCC

Sinal de

entrada VE

Sinal de

saída VS


3

2

7

4

6

O termo ( Rf / R1 + 1), é o ganho do amplificador não inversor. Em termos práticos

utilizamos o amplificador não inversor quando não necessitamos de uma inversão de

sinal.

VS =Rf

R1

. VE + 1

As correntes no circuito não inversor:


R1

Rf

+ VCC

− VCC

VE

3

2

7

4

6

RL

IB = 0

I1 = If

IL

O ganho é dado pela seguinte expressão:

AV =Rf

R1

+ 1

3) Amplificador Somador

O circuito amplificador somador com duas ou mais entradas, nada mais é do que um

circuito amplificador inversor onde em sua entrada está colocado mais de um sinal.

R1

Rf

+ VCC

− VCC

Sinal de

saída VS


2

3

7

4

6R2

R3

Rn

V1

V2

V3

Vn

Sinais deentrada


Cada entrada adiciona uma tensão à saída, multiplicada pelo seu correspondente fator

de ganho. Se mais entradas são usadas, cada qual acrescenta uma componente

adicional à saída.

A saída pode ser expressa em termos das entradas como:

VS = V1Rf

R1

V2Rf

R2

V3Rf

R3

VnRf

Rn

4) Amplificador Integrador O amplificador integrador é muito utilizado na prática, pois com ele podemos obter outras formas de onda a partir de uma forma de onda primitiva. No circuito integrador o resistor de realimentação Rf é substituído por um capacitor C, que tem a propriedade de acumular ao longo do tempo qualquer sinal contínuo, por menor que seja, fornecendo na saída uma rampa linear. Abaixo mostramos a forma de onda do circuito em questão, assim como sua equação básica:

R1

C

VS

VE

VS =R1.C

1 VE dtt

0


O ganho do circuito integrador é dado por:

AV =2.π.f.R1.C

1

5) Amplificador Diferencial O circuito diferenciador realiza a operação inversa do integrador, ou seja, ele deriva o sinal aplicado em sua entrada, produzindo uma tensão de saída proporcional à variação da tensão de entrada.

VS

VE

C

Rf

VS = R.C. .d

dtVE

O ganho pode ser calculado pela equação:

AV = 2.π.f.R.C

Agora ocorre o contrário do integrador, se a frequência se aproximar de zero, o ganho também se aproxima de zero, se a frequência aumentar o ganho também aumenta, levando o sinal de saída à saturação. Na prática uma forma de solucionar esse problema é colocando um resistor em série com o capacitor de entrada.


6) Amplificador Seguidor Unitário ou Buffer Trata-se, em princípio, de um amplificador não inversor com ganho unitário.

VS

VE

O amplificador seguidor unitário tem um ganho de tensão 1, a saída está em fase com a entrada.

VE VS=

Este circuito é usado para diminuir o efeito de carga na saída das fontes. Ganhos com Múltiplos Estágios Quando vários estágios são conectados em série, o ganho total é o produto dos ganhos de cada estágio. No circuito abaixo, temos a conexão de três estágios. O primeiro estágio proporciona um ganho não invertido dado pela equação:

Rf

R11=A

Os próximos dois estágios fornecem um ganho invertido dado pela equação:

Rf

R1=A

O ganho total do circuito é, portanto, não invertido e calculado por:

A1 A2 A3A =


Onde:

Rf

R11

Rf

R2=A2

Rf

R3=A3,=A1 ,

VE

R1

Rf

R2

Rf

1 2

R3

Rf

3 VS

Subtração de Tensão Dois sinais podem ser subtraídos um do outro de várias maneiras. O circuito abaixo mostra dois estágios com amp op empregados para realizar a subtração de dois sinais nas entradas.

R1

Rf

R2

Rf

VSV1

R3

V2

A saída resultante é dada por:

VS = V2Rf

R2

V1Rf

R3

Rf

R1


Outro tipo de conexão que fornece diferença entre dois sinais é mostrado no circuito abaixo.Esta conexão só utiliza um estágio de amp op.

R2

R4

VS

V1

R1

V2

R3

A saída resultante é dada por:

R3

R1 R3

R2 R4

R2

V1R4

R2

V2VS =

Apostila elaborada por: Oswaldo da Silva Lopes Júnior Referências Bibliográficas: – MARQUES, Angelo Eduardo B. ; CRUZ, Eduardo Cesar Alves. ; JÚNIOR, Salomão Choueri. Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores - Estude e Use,

12ª ed. São Paulo, Érica, 2008. – BOYLESTAD, Robert; LOUIS, Nashelsky. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 6ª ed. , LTC

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