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Amplificadores Operacionais AmpOp - Amplificador Operacional - É um amplificador de alto ganho e acoplamento directo que utiliza um controlo de realimentação (feedback) para controlar as suas características. Contém uma saída, controlada por duas entradas (+ e -). Tensão aplicada à entrada positiva (+), amplificação mantendo polaridade Tensão aplicada à entrada negativa (-), amplificação invertendo polaridade REPRESENTAÇÃO V p V n V o + - Standard V o (+) (-) V p V n + - A v (v p -v n ) Modelo Eléctrico

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Amplificadores Operacionais

AmpOp - Amplificador Operacional - É um amplificador de alto ganho e acoplamento directo que utiliza um controlo de realimentação (feedback) para controlar as suas características.

Contém uma saída, controlada por duas entradas (+ e -).

Tensão aplicada à entrada positiva (+), ⇒ amplificação mantendo polaridade Tensão aplicada à entrada negativa (-), ⇒ amplificação invertendo polaridade

REPRESENTAÇÃO

Vp

Vn

Vo

+

-

Standard

Vo

(+)

(-)

Vp

Vn

+

-

Av(vp -vn )

Modelo Eléctrico

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Amplificadores Operacionais

• História:

1ª Geração: desenvolvidos na década de 40 c/ válvulas;

2ª Geração: invenção do transistor bipolar (1948):

melhorias de características, consumo, espaço ocupado, etc;

3ª Geração: 1963, primeiro AOP em CI, µA702

(Fairchild): baixa resistência de entrada, baixo ganho, alta

sensibilidade a ruídos, etc;

1965: µA709, primeiro AOP confiável;

1968: µA741, utilizado, com o 709, até hoje;

4ª Geração: 1975, BIFET= BIPOLAR c/ JFET , LF351

(NATIONAL), CA3140 (RCA).

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Amplificadores Operacionais

O AmpOp ideal

Vo

(+)

(-)

Vp

Vn

+

-

Av(vp -vn )

Zo=∞∞∞∞ ⇒⇐ Zo= 0

Impedância de entrada

Ganho Av=∞∞∞∞

Tensão de saída

Vo=Av(vp -vn )=∞∞∞∞ .0 = indeterminada

Tensão de modo comum

vp -vn =0 (curto circuito virtual)

Largura de banda ∞∞∞∞

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Amplificadores Operacionais

Aplicações

Em quase todos os campos da electrónica linear e não linear e ainda em aplicações digitais.

Amplificadores lineares;Amplificadores não lineares;Comparadores;Filtros (passa baixo,passa alto, passa banda e stop banda);Aplicações logarítmicas (multiplicadores, divisores, raiz quadrada, exponenciadores);Multivibradores;Osciladores;Reguladores (tensão - série e switching; corrente; precisão, etc...);Amostradores.

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Amplificadores Operacionais

O AmpOp real

14 pinos8 pinos

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Amplificadores Operacionais

O AmpOp real (cont.)

Vp

Vn

Vo

+

-2

3

6

4

7

V+

V-

LM741

Ganho Av > 100Largura de banda 0,5 a 5 MHz

Slew rate 1V/µµµµs

Impedância de entrada > 108ΩΩΩΩ

Impedância de saída < 100ΩΩΩΩ

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Amplificadores Operacionais

Estudo geral do Amplificador Operacional

Quando incluído num circuito o AmpOp apresenta um conjunto de elementos passivos a si associados

vp

vn

vo

-

+

Av

0 V

v-

v+

Zf

Zi-

Zi+

Zp

i -

i+ i

i -- i

i++ iAdmite-se Av= ∞

Zi = ∞

Z0 = 0

ZiZ0

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Amplificadores Operacionais

Estudo geral do Amplificador Operacional(cont.)

O AmpOp apresenta um curto circuito virtual entre os terminais de entrada

v+ - v- = 0

então, porque Zi = ∞∞∞∞

i = (v + - v- )/ Zi = 0/∞∞∞∞

logo

i = 0

Condição 1

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Amplificadores Operacionais

Estudo geral do Amplificador Operacional(cont.)

Condição 2

Então, pelas condições anteriores, o esquema geral do AmpOptomará a forma

É válido o princípio da sobreposição

vp

vn

vo

-

+

∆v=0

0 V

Zf

Z-

Z+

Zp

i -

i+

i -

i+

Onde: Z - - Impedância de entrada pelo terminal negativo;

Z +- Impedância de entrada pelo terminal positivo;

Zf - Impedância de realimentação (feedback);

Zp - Impedância de polarização;

i - - Corrente fornecida ao terminal negativo, e

i+ - Corrente fornecida ao terminal positivo.

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Amplificadores Operacionais

Equação geral de funcionamento

Por aplicação da lei das malhas de Kirckoff

Determinemos o valor dos potenciais em jogo, em relação ao potencial(zero) de referência.

1ª malha (circulação da corrente na entrada negativa)

vn -

+

0 V

Z-

Zp

i -

i+

∆v=0

+

vn = Z-.i - + Z p.i +

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Amplificadores Operacionais

Equação geral de funcionamento (cont.)

2ª malha (circulação da corrente na entrada positiva)

vp

-

+

0 V

Z+

Zp

i +

i+

+

vp = Z+.i + + Z p.i +

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Amplificadores Operacionais

Equação geral de funcionamento (cont.)

3ª malha (circulação da corrente na saída)

v0 = - Z f.i- + Z p.i +

+

vo

-

+

∆v=0

0 V

Zf

Zp

i -

i+

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Amplificadores Operacionais

Equação geral de funcionamento (cont.)

Da equação da segunda malha, tem-se:

i + = vp /(Z++ Z p)

Substituindo na equação da primeira malha, vem:

i - = vn /Z-- Z p /Z

-. vp /(Z

++ Z p)

Utilizando agora a equação da terceira malha, obtém-se:

v0 = - Z f. [vn /Z-- Z p /Z

-. vp /(Z

++ Z p)] + Z p. [vp /(Z

++ Z p)]

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Amplificadores Operacionais

Equação geral de funcionamento (cont.)

Finalmente:

Z-

Z-

Z++Z p

v0 = - vn + (1+ ). vp

Z f Z f Z p

A que chamamos: Equação Geral de Funcionamento

Nota:

Quer o método de dedução desta equação, quer a equação propriamente

dita, podem ser utilizados para a determinação do ganho de qualquer

montagem particular.

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Amplificadores Operacionais

Circuitos típicos com AmpOp’s

Amplificador inversor

vi

vo

-

+

0 V

Rf

Ri

Rp

Pela equação geral de funcionamento, notando que:

Z-=R i vn = vi

Z+= ∞∞∞∞ vp = n.a.

Zf =R f v0 = v0

Zp =R p

R i

v0 = - vi

R f

Nota: A tensão de entrada vi pelo terminal negativo é

amplificada pelo factor R f/R I sendo a tensãov0 de

valor simétrico a vi

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Amplificadores Operacionais

Circuitos típicos com AmpOp’s (cont.)

Amplificador não inversor

Pela equação geral de funcionamento, notando que:

Z-=R i

-vn = 0

Z+=R i

+vp = vi

Zf =R f v0 = v0

Zp =R pvo

-

+

0 V

Rf

Ri-

Rp

vi Ri +

0 V

R i-

R i++ R p

v0 = (1+ ). vi

R f R p

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Amplificadores Operacionais

Circuitos típicos com AmpOp’s (cont.)

Amplificador não inversor ….

Fazendo R i+= 0 e R p= ∞∞∞∞ vem

vo

-

+

Rf

Ri-

vi

0 V

R i-v0 = (1+ )vi

R f

Forma mais vulgar deste amplificador

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Amplificadores Operacionais

Amplificador diferencial

Pela equação geral de funcionamento, notando que:

Z-= Z

+= R i

Zf = Zp = Rf

vp

vn

vo

-

+

0 V

Rf

Ri

Ri

Rf

R i

v0 = (vp - vn )R f

Se, no limite se tiver, Rf = R i , então:

v0 = vp - vn

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Amplificadores Operacionais

Amplificador somador (adição e subtracção)

Tensão de saída:

vo=Av1v1+Av2v2+... +Av8v8

v5

v4

vo

-

+

0 V

Rf

R4

R5

Rp

v1R1

v2 R2

v3R3

Rn 0 V

v6 R6

R7

R8

v7

v8

Onde para as entradas pelo terminal negativo se tem:

Avj=- Rf /Rj c/ j = 1 ...4

E para as entradas pelo terminal positivo:

Avj= (1+Rf /Rx)[Rc/(Rc+Rj)] c/ j = 5 …8

Onde:

Rc = // Rm e Rx = // Rmm=5…8,p\j m=1…4,n

Trata-se dum somador/subtractor pesado

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Amplificadores Operacionais

Circuitos típicos com AmpOp’s (cont.)

Adaptador de impedâncias (o seguidor de tensão)

Pela equação geral de funcionamento, notando que:

Z+= Zf = 0

Z-= Zp = ∞∞∞∞

vo=v1

Qual a utilidade?

vo

-

+vi

Zo=∞∞∞∞ ⇒⇐ Zo= 0

Adaptação/isolamento de impedâncias

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Amplificadores Operacionais

Circuitos típicos com AmpOp’s (cont.)

Conversor tensão/corrente

Pela eq. GF, notando que: Z-= R s ; Z

+= 0; vn= 0

Zf = R L; Zp = ∞∞∞∞; vp= vi

R s

v0 = vi

R s+R L

como:

vi vo

-

+

0 V

Rs

RL

»

»

io

v0i0 = R s+R L

Tem-se: vii0 = R s Note-se a independência da carga

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Amplificadores Operacionais

Circuitos típicos com AmpOp’s (cont.)

Conversor corrente/tensão

Pela lei das malhas tem-se:

v0 = -R f .ii

R f é, assim, o factor de conversão

vo

-

+

ii

Rf

0 V +

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Amplificadores Operacionais

Circuitos típicos com AmpOp’s (cont.)

Integrador

vo

-

+

vi R

0 V

C

Pela eq. GF, notando que: Z-= R ; Z

+= ∞∞∞∞; vn= vi

Zf = 1/(Cs); Zp = 0; vp= na

v0 = - .vi1

RCs

Aplicando a transformada inversa de Laplace tem-se:

v0(t) = -RC vi(t)dt⌠⌡

s=jω

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Amplificadores Operacionais

♦ Impedância de entrada e impedância de saída

♦ Ganho finito e tensões de saturação

♦ Erros de polarização: tensão e desvio (offset) e

correntes de polarização

♦ Taxa de inflexão

♦ Resposta em frequência

♦ Produto ganho largura de banda

♦ Distorção harmónica

♦ Ruído

Amplificadores operacionais reais

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Amplificadores Operacionais

• Pinagem:

-

+

2

3

6

8 4

1 5 7

751/351

1 e 5 - balanceamento OFFSET

2 - entrada inversora

3 - entrada não inversora

4 - alimentação negativa (-3 V a -18 V)

7 - alimentação positiva ( 3V a 18V)

6 - Saída

8 - Não conectado

741

1 2 3 4

8 7 6 5

12 3 4

5678

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Amplificadores Operacionais

• Fabricantes e Códigos do 741:

• FAIRCHILD µA741

• NATIONAL LM741

• MOTOROLA MC1741

• RCA CA741

• TEXAS SN741

• SIGNETICS SA741

• SIEMENS TBA221(741)

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Amplificadores Operacionais

• Tensão de Offset de Saída

Características do projeto do AOP originam um

desbalanceamento interno que resulta numa tensão

de OFFSET de saída, mesmo quando as entradas

são aterradas. Podemos cancelar este erro ajustando

o potenciômetro da seguinte figura:

-

+

2

3

6

8 4

1 5 7

751/351

-Vcc

Offset

Sem Offset

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• Saturação:

Tensão máxima de saída

Associada a alimentação

Vcc

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• Ruído nos circuitos com AOP:

• origem: motores elétricos, linhas de transmissão, descargas

atmosféricas, radiações eletromagnéticas, etc;

• prevenção: melhorar a terra do circuito e equipamentos

envolvidos. Ex: condensadores de 0,1µF entre o + Vcc e o -

Vcc do AOP, o mais próximo deste.

-

+

2

3

6

8 4

1 5 7

751/351

O,1µF

O,1µF

-Vcc

+Vcc

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Amplificadores Operacionais

Tipos de cápsulas do C.I.

Os principais tipos de cápsulas utilizadas para envolver e proteger os

chips são basicamente quatro:

Cápsulas com dupla fila de pinos (DIL ou DIP – Dual In Line)

Cápsulas planas (Flat-pack)

Cápsulas metálicas TO-5 (cilíndricas)

Cápsulas especiais

Enquanto as cápsulas TO-5 são de material metálico, as restantes podem

utilizar materiais plásticos ou cerâmicos.

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Amplificadores Operacionais

Cápsula com dupla fila de pinos

Para os CI de baixa potência – DIL ou DIPAs cápsulas de dupla fila de pinos são as mais

utilizadas, podendo conter vários chips

interligados.

Nos integrados de encapsulamento DIL a

numeração dos terminais é feita a partir do

terminal 1 (identificado pela marca), vai por essa

linha de terminais e volta pela outra (em sentido

anti-horário).

Durante essa identificação dos terminais o CI

deve ser sempre observado por cima.

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Amplificadores Operacionais

Circuitos Integrados de potênciaAlguns integrados de potência têm uma

cápsula extremamente parecida com a

dos transístores de potência.

Algumas observações importantes a respeito das aletas de acoplamento aos dissipadores de calor:

Aleta metálica

Dissipador de calor

As aletas podem ser fixadas a dissipadores de alumínio em método idêntico ao utilizado nos transístores de potência.

Acoplar-se as aletas à própria caixa (se for metálica) que contém o circuito.

As aletas podem ser soldadas a uma das faces de cobre do circuito impresso (no caso de uma dupla face).

As aletas, quase sempre estão ligadas electricamente por dentro do c.i., ao pino correspondente ao negativo da alimentação (massa).

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