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Elétrica amplificador operacional - amp-op

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Text of Elétrica amplificador operacional - amp-op

  • 1Universidade Federal de LavrasDepartamento de Cincia da Computao

    COM145 Eletrnica Bsica

    Amplificadores Operacionais

    Prof. Joo C. Giacomin DCC-UFLA

  • Amplificadores Operacionais

    Prof. Joo C. Giacomin DCC - UFLA 2

    Amplificadores Operacionais

    Este texto foi escrito pelo prof. Joo Giacomin como parte do material de estudos para a disciplina de EletrnicaBsica do curso de Cincia da Computao. Parte do texto foi colhido em sites especficos de eletrnica naInternete. So indicados dois livros como fonte principal de consulta para os alunos:1 Malvino, A.P. ELETRNICA, Vol. 2, 2a edio Captulos de 18 a 21 e item 22.9 .2 A. Pertence Jr. Amplificadores Operacionais Captulos de 1 ao 5.

    1) IntroduoAproximadamente 1/3 dos CIs lineares so Amplificadores Operacionais (AmpOp). Isso

    decorre da necessidade de se ter um circuito amplificador de fcil construo e controle, e de boaqualidade.

    Os Amp Op so amplificadores que trabalham com tenso contnua to bem como comtenso alternada. As suas principais caractersticas so:

    - Alta impedncia de entrada- Baixa impedncia de sada- Alto ganho- Possibilidade de operar como amplificador diferencial

    2) SmboloUm amplificador analgico sempre representado como um tringulo em que um dos vrtices asada. O desenho abaixo mostra o diagrama esquemtico de um Amplificador Operacional comseu modelo mais usual, onde se v uma resistncia de entrada (Ri) e um circuito de sadarepresentado pelo equivalente Thvenin. Neste esquema, a fonte Vth dependente da correnteatravs de Ri, e Rth representa a impedncia de sada do amplificador.

    V1 entrada no inversoraV2 entrada inversoraVo sada

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    3) Princpio de operao

    3.1) Amplificador diferena

    A figura ao lado representa o circuito de entrada de umamplificador operacional, este circuito conhecidocomo Amplificador Diferena, devido ao fato datenso de sada Vsada ser diretamente proporcional diferena entre as tenses de entrada (V1 V2).Idealmente os transistores T1 e T2 so idnticos, talcomo os dois resistores de coletor, o que faz a tensode sada ser igual a zero, quando V1=V2.

    3.2) Circuito com uma sada

    Se for utilizado somente um dos terminais de sada, oresistor de coletor do outro transistor pode ser retirado,uma vez que este passa a trabalhar como seguidor deemissor. Ento a tenso de sada dever ser medida emrelao ao potencial de zero volts, mas continua sendoproporcional diferena V1 V2.Alm disso, basta ligar ao potencial de zero volts umadas entradas, para que o amplificador diferenafuncione como um amplificador de uma entrada e umasada apenas.

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    3.3) Circuito completo

    Abaixo, mostrado um diagrama esquemtico de um circuito simplificado de umamplificador operacional, onde se verifica a diviso entre circuito de entrada, com amplificadordiferena, e circuito de sada com amplificador de potncia.

    + Vcc

    V V+ Vo = Av.( V+ V )

    Amplif. Diferena VEE Estgio de sada

    A figura abaixo um diagrama simplificado de um amplificador operacional LM741, omais popular, e um dos mais antigos.

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    4) Representao de um Amp OpUm Amp. Op. pode ser entendido como um circuito amplificador de alto ganho, onde a

    entrada representada por uma resistncia de alto valor e a sada por uma fonte de tensocontrolada e uma resistncia em srie.

    Vth = Av ( V1 V2 )

    Ro = Rth

    Para um 741, Av = 100.000 ; Ro = 75.

    5) Caractersticas de Amplificadores Operacionais

    Av = Ganho de tenso diferencial:21 VV

    VoAv

    =

    Normalmente dado em dB (deciBeis). Para um 741, Av = 100 dB.Para calcular o ganho de tenso em dB basta fazer: Av(dB) = 20 log |Av|, que no caso do741, ser Av(dB) = 20 log 100000 = 20 log 105 = 20 * 5 log 10 = 100

    Rin = Resistncia de entrada.

    Entradas com TJB: Rin 1MEntradas com FET: Rin 1012

    Ro = Resistncia de sada

    Normalmente Ro 100. O valor ideal para Ro seria 0, mas traria problemas para o CIquando ocorresse curto-circuito na sada.

    CMRR = Razo de Rejeio de Modo Comum

    MCAAvCMRR =

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    Vos = Tenso de Off-Set. Compensao das diferenas entre as tenses Vbe dos transistores deentrada

    SR = Slew Rate. Taxa de inclinao (variao). a taxa mxima de variao da tenso de sadapara uma variao em degrau na entrada

    BP = Banda Passante. a faixa de freqncias para a qual o ganho do amplificador igual oumenor que 1/2 do ganho nominal ou em freqncias mdias. Para o 741, semrealimentao, BP = 10Hz. Com realimentao negativa, o ganho nominal diminui, mas aBP aumenta.

    funidade = a freqncia para a qual o ganho do amplificador no realimentado igual a 1, ou sejaigual a 0 dB.

    A tabela 1 apresenta algumas caractersticas de alguns amplificadores operacionaispopulares. Os Amp.Ops. que apresentam menores correntes de entrada utilizam transistores deefeito de campo na entrada diferencial.

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    6) Modelos para os Amplificadores Operacionais

    Os modelos a seguir, referem-se a modelos eltricos simplificados para os amplificadoresde tenso e de corrente sem realimentao. Os modelos consideram trs elementos apenas: duasimpedncias, uma de entrada e outra de sada, e uma fonte de tenso dependente.

    Figura 1 Amplificador de tenso: no ideal (a) e ideal (b)

    A ligao de um amplificador a uma fonte de sinal e a uma carga envolve dois divisores detenso que reduzem o ganho mximo obtenvel (Figura 1.a). Referindo ao esquema eltrico daFigura 1.b, verifica-se que a construo de uma cadeia de amplificao otimizada passa pelorecurso de amplificadores de tenso que gozem, pelo menos, das seguintes duas propriedades:impedncia de entrada infinita, e impedncia de sada nula. Se a estas duas propriedades sejuntarem um ganho de tenso infinito, a no dependncia do mesmo com a frequncia e apossibilidade de aplicar na entrada e obter na sada quaisquer valores de tenso, ento obtm-seaquilo que vulgarmente se designa por amplificador operacional ideal, ou AmpOp.

    Apesar deste conjunto idealizado de propriedades, um fato que o AmpOp ideal constituiuma boa aproximao do desempenho eltrico de uma vasta gama de circuitos integradosutilizados na prtica. Com efeito, existem no mercado AmpOps cujo ganho ascende a 106, e cujasresistncias de entrada e de sada so, respectivamente, vrias dezenas a centenas de M ealgumas unidades ou dcimas de ohm.

    Os elevados ganho e resistncia de entrada do AmpOp esto na origem do curto-circuitovirtual, que em alguns casos particulares implementa uma massa virtual. Este operador possibilitaa realizao de amplificadores de tenso cujo ganho depende apenas do cociente entre duasresistncias, amplificadores soma e diferena de sinais, circuitos integradores e diferenciadoresde sinal, filtros, conversores corrente-tenso e tenso-corrente, conversores de impedncias,circuitos retificadores de sinal, comparadores de tenso, etc.. No exagero afirmar que, na

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    atualidade, o AmpOp constituiu o paradigma dominante no projeto de circuitos eletrnicosanalgicos.

    Os amplificadores operacionais so constitudos por mltiplos componentes eletrnicos,nomeadamente transistores, resistncias e capacitores. No entanto, neste texto limitamos o estudodo AmpOp identificao e utilizao prtica das propriedades dos seus terminais de acesso.

    7 - AmpOp Ideal

    O AmpOp ideal constitui um modelo simplificado de um amplo conjunto de amplificadoresde tenso atualmente existentes no mercado. Caracteriza-se pelas seguintes quatro propriedades(Figura 2):

    (i) impedncia de entrada infinita;(ii) impedncia de sada nula;(iii) ganho de tenso infinito;(iv) ausncia de qualquer limitao em freqncia e em amplitude.

    Figura 2 AmpOp ideal

    A principal conseqncia do conjunto de propriedades apenas enunciado , na prtica, apossibilidade de estabelecer um curto-circuito virtual entre os dois terminais de entrada doAmpOp. Com efeito, a existncia de uma tenso finita na sada s compatvel com um ganhoinfinito desde que a diferena de potencial entre os dois terminais de entrada seja nula. Anatureza virtual deste curto-circuito deve-se coexistncia de uma igualdade entre tenses semligao fsica entre terminais. Na Figura 3 ilustra-se o significado prtico de um curto-circuitovirtual.

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    Figura 3 Curto-circuito e massa virtual

    Por exemplo, no caso da montagem em (a) a relao entre as tenses nos ns

    isto , a tenso na sada do AmpOp segue a da fonte de sinal aplicada na entrada. Por outro lado,no caso da montagem representada em (b) verifica-se que

    ou seja, que o terminal negativo do amplificador se encontra ao nvel da massa, sem no entanto seencontrar fisicamente ligado a ela. Diz-se ento que o terminal negativo do amplificadoroperacional constitui uma massa virtual.

    8 - Montagens Bsicas

    O AmpOp vulgarmente utilizado em duas configuraes bsicas: a montagem inversora ea montagem no-inversora. Os circuitos estudados neste captulo constituem todos eles ouvariaes ou combinaes destas duas configuraes bsicas.

    No que diz respeito s metodologias de anlise de circuitos com AmpOps, existembasicamente as seguintes duas alternativas:

    (i) uma que assume a presena de um curto-circuito virtual entre os dois terminais de entradado AmpOp (em conjunto com correntes nu