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EXPERIÊNCIA N FUNDAMENTOS DO AMPLIFICADOR · PDF fileFUNDAMENTOS DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL ... diferencial de ganho muito alto com impedância de entrada ... = 3 (5) III. MATERIAIS

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  • EXPERINCIA N 02

    FUNDAMENTOS DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL

    Fundao Universidade Federal de RondniaNcleo de Tecnologia

    Departamento de Engenharia Eltrica - DEEDisciplina de Eletrnica II

    I. OBJETIVOS

    Conhecer e se familiarizar com o amplificador operacio-nal.

    Aprender a utilizar um ampop 741. Construir as configuraes bsicas do ampop. Perceber qual a defasagem existente entre entrada e sada

    de cada configurao. Comprovar o ganho caracterstico de cada configurao

    do ampop. Construir osciladores atravs de um amplificador opera-

    cional. Realizar as comparaes necessrias com a teoria para

    fins de comprovao.

    II. INTRODUO

    Um amplificador operacional, ou ampop, um amplificadordiferencial de ganho muito alto com impedncia de entradamuito alta e impedncia de sada baixa. comum o amplifi-cador operacional ser utilizado para a obteno de variaesna tenso (amplitude e polaridade), em osciladores, filtrose diversos tipos de circuitos de instrumentao. Um ampopcontm alguns estgios amplificadores diferenciais para atingirum ganho de tenso muito alto.

    A figura 1 mostra um ampop bsico com duas entradase uma sada como resultado da utilizao de um estgiode entrada de amplificador diferencial. Lembre-se que cadaentrada resulta ou em uma sada de mesma polaridade (ou fase)ou em uma sada com polaridade (ou fase) oposta, dependendodo sinal: se ele est aplicado entrada positiva (+) ou entradanegativa (-).

    Figura 1. Ampop.

    A. Comparadores

    Esta uma das funes mais clssicas em que os ampopsso aplicados. Dadas tenses nas entradas, faz a sada saturarpositivamente caso a entrada positiva seja maior que a negativae vice-versa.

    1) Comparador com histerese: Tambm chamado circuitodisparador de Schmitt (Schmitt Trigger), este um circuitocom realimentao positiva. Ao invs de se fazer a comparaosimples entre dois sinais, acrescenta-se um limite a mais ou amenos em torno de um dos sinais. O acrscimo ou decrscimodepende do estado atual da sada.

    Esse comportamento til quando queremos comparar doissinais ruidosos. Se no utilizssemos a janela de histerese nacomparao, o circuito chavearia o estado da sada rapida-mente quando os nveis dos sinais estivessem prximos umdo outro.

    B. Amplificador inversor

    O amplificador de ganho constante mais amplamente utili-zado o amplificador inversor, mostrado na figura 2. A sada obtida pela multiplicao da entrada por um ganho fixo ouconstante, fixado pelo resistor de entrada (R1) e o resistor derealimentao (Rf ). Essa sada tambm invertida em relao entrada.

    VOVi

    = RfRi

    (1)

    Figura 2. Amplificador inversor.

  • C. Amplificador no-inversorA conexo da figura 3 mostra um circuito com ampop que

    trabalha como um amplificador no-inversor ou mutiplicadorde ganho constante. Observe que a conexo amplificador in-versor mais amplamente utilizada por ter melhor estabilidadeem frequncia.

    VOVi

    = 1 +RfRi

    (2)

    Figura 3. Amplificador no-inversor.

    D. Amplificadores operacionais como osciladoresEm muitas aplicaes necessrio gerar um sinal, que pode

    ter as mais diversas formas, retangular, senoidal, triangular,etc. Entretanto, o nico sinal disponvel contnuo da prpriaalimentao, da h necessidade dos osciladores, estes so degrande importncia em sistemas eletrnicos.

    Os osciladores podem ser classificados como de relaxao,que produzem sinais no lineares e senoidais que produzemsinais lineares. Estes ainda podem ser divididos nas mais diver-sas formas de circuitos, sendo que algumas sero detalhadasneste captulo.

    Osciladores de relaxao Multivibradores astveis; Geradores de onda triangulares; Geradores de onda dente de serra; Etc.

    Osciladores senoidais Ponte de Wien; Oscilador de quadratura; Oscilador duplo T; Oscilador Colpitt; Etc.

    1) Multivibrador astvel: um gerador de onda retangular, utilizado para produzir pulsos na sada a partir de um sinalcontnuo, utilizado na alimentao. Este tipo de circuito muito comum em circuitos digitais, onde so usados comoclock.

    T = 2.RF .C1.ln

    (1 +

    2.R2R1

    )(3)

    Figura 4. Exemplo de multivibrador astvel.

    Seu funcionamento bastante simples, o tempo de comuta-o feito atravs da realimentao negativa, onde o capacitorcarrega-se exponencialmente at atingir a referncia positivaUTP, neste ponto o capacitor comea a descarregar at atingira referncia negativa LTP.

    Observe que h uma semelhana com um comparador comhisterese, onde o sinal de sada comuta quando o sinal deentrada encontra uma referncia. Porm o sinal de entrada fornecido pela carga e descarga do capacitor e as refernciaspelo divisor de tenso na entrada no-inversora.

    2) Ponte de Wien: Se um sinal senoidal em baixas frequn-cias for o desejado o projetista poder recorrer a um clssicoentre os osciladores, trata-se da ponte de Wien, capaz defornecer um sinal senoidal a partir de um sinal DC combaixssima distoro.

    f =1

    2..R.C(4)

    Figura 5. Exemplo de oscilador ponte wien.

    Uma condio essencial para que o circuito oscile, o ganhodeve ser 3. Assim:

    AV = 1 +RFR1

    = 3 (5)

  • III. MATERIAIS UTILIZADOS

    Gerador de Tenso DC Instrutherm FA - 3030; Gerador de funes ICEL GV - 2002; Osciloscpio Minipa MO - 1262; Protoboard; Resistores de 1k(1), 2k(1), 10k(2), 15k(2) e

    20k(2); Capacitores de 10nF (2) e 100nF (1); Diodo 1N4148(1) ou similar; Ampop 741(1).

    IV. PARTE EXPERIMENTAL

    Antes de dar incio a construo dos circuitos com ampops,familiarize-se com seu uso correto e mais prtico atravs dospassos a seguir nos tpicos A, B e C.

    A. Instalao do ampop no protoboard

    1 passo: Instalar o 741 (mini DIP) no protoboard, como pino 1 voltado para o lado esquerdo inferior (ladochanfrado no lado esquerdo).

    2 passo: Instalar os fios da alimentao. +15V ao pino 7do 741 (fio vermelho) e -15V ao pino 4 do 741 (fio verde)e 0V ao barramento GND do protoboard (fio preto).

    Manter a alimentao desligada toda vez que for montar oumodificar um circuito.

    Se o protoboard possuir barramento duplo (rgua estreitacom dois barramentos), alimentar o primeiro barramento su-perior com +15V , o primeiro barramento inferior com -15Ve os dois barramentos centrais com GND.

    Uma vez alimentado os barramentos do protoboard, alimen-tar o 741 atravs de pequenos fios (jumps), tambm coloridos,entre o barramento e o pino correspondente. Desta formaconseguiremos instalar diversos Circuitos Integrados com maisorganizao.

    Figura 6. Representao esquemttica do ampop.

    Para interligar os componentes eletrnicos, utilize fios r-gidos, encapados, de bitola correspondente a 22, 24 ou 26

    Figura 7. Figura ilustrativa do ampop e as alimentaes no protoboard.

    AWG. Os leads dos componentes como resistores, capacitores,diodos, transistores, etc, devem apresentar a bitola correspon-dente.

    Endireitar os leads dos componentes e a parte desencapadados fios com o alicate de bico. No force a introduo dosleads tortos nos contatos do protoboard, se isto acontecer, oscontatos do protoboard sero danificados permanentemente.

    A fiao da alimentao deve ser bem feita e de modo ano atrapalhar a instalao dos demais componentes uma vezque ela permanecer em quase todas montagens.

    boa prtica no desconectar a alimentao quando fordesmontar um circuito para montar outro.

    3 passo: Planifique a construo do circuito. Esbocementalmente um layout da montagem. Procure manter adisposio dos componentes como no diagrama esque-mtico.

    4 passo: Completar o circuito conforme o diagramaesquemtico utilizando o menor nmero de fios possvele de forma a facilitar a substituio do ampop.

    B. Osciloscpio

    A anlise no domnio do tempo consiste em observarsimultaneamente as formas de onda de entrada e sada, V i(t)e V o(t), atravs de um osciloscpio de dois canais.

    Para facilitar a execuo das experincias comum adotara seguinte conveno:

    Sinal de entrada = canal CH1.Sinal de sada = canal CH2.Uma vez que a alimentao padro dos circuitos a ampop

    15V , todos os sinais estaro compreendidos dentro destafaixa. Se calibrarmos o osciloscpio em 5V/DIV, acopla-mento DC (importante), e com os traos centrados na tela,qualquer sinal ser captado pelo osciloscpio dentro das seisdivises centrais da tela.

    O acoplamento DC permite verificar a presena de nvelcontnuo e, por exemplo, medir a tenso da fonte de alimen-tao. Alm disso, o acoplamento AC pode distorcer a formade onda nos sinais de baixa frequncia.

  • O sincronismo (Trigger) deve ser feito preferencial-mente pelo sinal de entrada, CH1, modo NORMAL ou AUTO,SLOPE+.

    Neste tipo de ensaio o sinal de excitao pode ser senoidal,triangular ou quadrada.

    C. Localizao de defeitos

    1) Se o ampop estiver saturado positivamente e no res-ponder ao sinal de excitao, verifique a alimentaonegativa (pino 4 =-15V ). Se estiver correto verifiquese o terminal da entrada no-inversora (pino 3) estcorretamente conectado ao circuito.

    2) Se o ampop estiver saturado negativamente, verifiqueprimeiro a alimentao positiva (pino 7 = +15V ). Seestiver correto, verifique o terminal da entrada inversora.

    3) Se tudo isto estiver correto, verifique a temperatura doampop. Em condies normais a temperatura do corpo(case) dever ser prxima da temperatura ambiente.

    D. Configuraes

    Com os passos anteriores j realizados e sempre levandoem considerao as observaes citadas, daremos incio aconstruo de algumas configuraes com o ampop. Emcada configurao a seguir, faa as observaes requeridas etambm obtenha dados a mais para uma comparao maisdetalha com a teoria envolvida.

    1) Comparador inversor: Ligar primeiro a fonte de alimentao de 15V e depois

    o gerador de sinais (V 1) e as pontas de prova doosciloscpio.

    Ajustar o gerador de funes em: senoidal, 100Hz,4V pp.

    Observe Vi =

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