Módulo 7 AMPOPS

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Módulo 7Amplificadores Operacionais

Electrónica Fundamental

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Conteúdo do Modulo

Circuitos Básicos com Amplificadores Operacionais1

Amplificador Operacional Real2

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Circuitos Básicos com Amplificadores Operacionais

Montagem não inversora, Seguidor; Inversor; Somadores e circuitos diferença; Integradores; Diferenciador; Comparadores; Rectificadores de precisão; Detector de Pico.

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Amplificador Operacional Real

Características não ideais de funcionamento: ganho e largura de banda;

Resposta em frequência; corrente e tensão de desvio (“offset”); Taxa de deslizamento (“slew rate”); impedâncias de entrada e de saída;

excursão de sinal; Modelo de um Amplificador Operacional

não ideal.

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O Amplificador Operacional – Blocos Básicos

Os amplificadores electrónicos são construídos basicamente com transístores.

No entanto, a utilização de transístores como componentes discretos para implementar circuitos amplificadores é hoje pouco habitual, recorrendo-se com mais frequência a circuitos integrados (ou quando muito a circuitos híbridos, isto é, um misto de circuitos integrados e componentes discretos).

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Um circuito integrado largamente utilizado nas mais variadas aplicações é o amplificador operacional (ampop).

Foi inicialmente concebido para resolver electronicamente equações matemáticas, executando operações como a adição, a integração, etc., em computadores analógicos, mas o interesse desta máquinas é hoje em dia muito reduzido (utilizando-se com vantagens o computador digital).

O CI dum ampop típico inclui cerca de 20 transístores, algumas resistências e pequenos condensadores.

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Um circuito integrado largamente utilizado nas mais variadas aplicações é o amplificador operacional (ampop).

Foi inicialmente concebido para resolver electronicamente equações matemáticas, executando operações como a adição, a integração, etc., em computadores analógicos, mas o interesse desta máquinas é hoje em dia muito reduzido (utilizando-se com vantagens o computador digital).

O CI dum ampop típico inclui cerca de 20 transístores, algumas resistências e pequenos condensadores.

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A entrada não-inversora

quese identifica com

o sinal "+"

AMPOPé um dispositivo

com uma saída e duas entradas

A entrada inversora

que se identificada com o

sinal "–"

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Funciona habitualmente alimentado a partir uma fonte de tensão dupla ±VCC (isto é, duas tensões simétricas, +VCC e –VCC, em torno de OV ), na gama de ±5V a ±15V.

O ponto central da fonte de alimentação, ou seja 0V, é normalmente utilizado como referência (comum àsentradas e à saída).

Não deve confundir-se os sinais de identificação das duas entradas, com a polaridade das fontes de alimentação, as quais, por uma questão de clareza, não se representahabitualmente nos circuitos com ampops.

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O AMPOP possui como principais propriedades as seguintes:

um ganho de tensão em malha aberta muito elevado; valores como A = 105 para componentes contínuas e baixas frequências são comuns; o ganho diminui à medida que a frequência aumenta;

uma impedância de entrada muito elevada, tipicamente entre 106Ω e 1012Ω, de tal modo que a corrente que flui nas suas entradas é mínima;

uma impedância de saída baixa, vulgarmente cerca de 100Ω, o que quer dizer que a tensão de saída é transferida de forma eficiente para qualquer carga superior a alguns kΩ.

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A relação entre a tensão de saída e a das entradas é dada por:

o que significa que o ampop é basicamente um aplificador diferencial, isto é amplifica a diferença entre as tensões v1, e v2 aplicada às suas entradas.

Existem assim três possibilidades:

se v1 > v2, vsaída é negativo;

se v1 < v2, vsaída é positivo;

se v1 = v2, Vsaída é zero (pelo menos teoricamente).

)( 12 vvAvsaida

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Por forma a simplificar a análise de circuitos com AMPOPS, é vulgar admitir (sem introduzir normalmente grandes erros):

que se trata dum dispositivo ideal,

com um ganho em malha aberta aproximando-se de infinito,

uma impedância de entrada infinita (a corrente nas entradas é nula)

e uma impedância de saída desprezável.

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Ao admitir que A → ∞, e uma vez que a tensão de saída terá que ter sempre um valor finito (necessariamente inferior à tensão de alimentação), é-se levado a concluir que sempre que o ampop funciona como dispositivo linear, as entradas v1 e v2 estão virtualmente ao mesmo potencial :

∞

0

finito

)( 12 vvAvsaida

)0)(( 12 vv

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Tendo em conta estas simplificações, estudaremos em seguida alguns blocos de circuitos amplificadores básicos, construídos à custa de ampops, resistências e, por vezes, condensadores.

Tratam-se todos eles de circuitos lineares, embora com características específicas conseguidas à custa de diferentes de malhas realimentação negativa.

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O Amplificador Não-Inversor

Na figura apresenta-se o circuito básico do Amplificador Não-Inversor.

A expressão do ganho em tensão da montagem pode obter-se facilmente tendo em atenção que, uma vez que a corrente na entrada "–" é desprezável, a tensão v1 é dada por:

21

121 RR

Rvv

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Por outro lado, como as entradas "+" e "−" estão virtualmente ao mesmo potencial, v1 = vent, ou seja:

Logo,

21

1

21

12 RR

Rv

RR

Rvv saidaent

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Como se pode constatar, o ganho em tensão depende apenas do valor das resistências R1 e R2 e é sempre superior à unidade.

Se, p. ex., R1 = 1kΩ, R2 = 10kΩ e aplicarmos à entrada uma tensão sinusoidal de 1Vp-p de amplitude, a tensão de saída é uma sinusóide da mesma frequência e com a mesma fase, mas com 11Vp-p de amplitude.

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Confrontando o circuito com o diagrama de blocos da rapidamente se conclui tratar-se dum amplificador realimentado, onde A é o ganho em malha aberta do ampop e

21

1

RR

R

v

vB

saida

real

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Como a condição BA >> 1 é facilmente satisfeita (recorda-se que para um ampop A → ∞), o ganho em malha fechada da montagem vem

ou seja, confirma-se

BBA

A

v

v

entrada

saida 1

1

1

21

R

RR

v

v

entrada

saida

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Todas as aplicações lineares de ampops utilizam montagens com realimentação negativa, embora nem sempre seja tão óbvio identificar os valores de A e B.

O circuito da figura é uma caso particular da montagem não-inversora onde R1 = ∞ e R2 = 0. O ganho em tensão é pois,

ou seja, a tensão de saída é igual à de entrada.

O circuito chama-se por isso seguidor de tensão.

111

2 R

R

v

v

entrada

saida

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O circuito chama-se por isso seguidor de tensão.

Possui uma impedância de entrada extremamente elevada e uma impedância de saída muito baixa.

A sua principal aplicação consiste na sua utilização como bloco de isolamento ("buffer"), garantindo ganho em corrente e permitindo a adaptação duma fonte de sinal de alta impedância a uma carga de baixa impedância.

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É utilizado, por exemplo, na entrada dos voltímetros analógicos, onde é necessária uma impedância de entrada o mais elevado possível (para não perturbar o circuito que está a ser testado) e a tensão de saída é medida por uma galvanómetro de quadro móvel, de impedância relativamente baixa.

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O Amplificador Inversor

Na figura apresenta-se o circuito básico do Amplificador Inversor.

Note-se que uma vez que a corrente na entrada inversora é desprezável (nula segundo as proximações que temos vindo a fazer), a corrente (i) nas resistências R1 e R2 é a mesma.

Logo, v1 = R1∙i e v2 = R2∙i

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Por outro lado, uma vez que a entrada "–" do amp. op. está virtualmente ao mesmo potencial da entrada "+", ou seja, 0V, somos levados a concluir que,

Vent = v1 e vsaida = -v2

Logo, a relação entre a entrada e a saída é determinada por

iR

iR

v

v

v

v

entrada

saida

1

2

1

2

1

2

R

R

v

v

entrada

saida

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Mais uma vez, o ganho em tensão (ou o ganho em malha fechada) do amplificador depende apenas do valor de resistências.

O sinal "menos" que aparece na expressão significa que a saída vem invertida relativamente à entrada.

Se, p. ex., R1 = 1kΩ, R2 = 10kΩ e aplicarmos à entrada uma tensão sinusoidal de 1Vp-p de amplitude, a tensão de saída é uma sinusóide da mesma frequência desfasada 180°, e com 10Vp-p de amplitude (ver fig.).

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Outra característica interessante do montagem inversora, reside no facto de permitir que a sua impedância de entrada seja facilmente controlada.

Uma vez que o ponto P do circuito (figura) é uma terra virtual (isto é, está para efeitos práticos a um potencial de 0V), a impedância de entrada Rent do amplificador é de facto igual a R1. (É pois possível fixar o valor da impedância de entrada ajustando o valor de R1.)

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O Amplificador Diferêncial

Na figura, apresenta-se o circuito básico do Amplificador Diferencial.

Como veremos em seguida, o circuito amplifica a diferença entre os sinais aplicados às suas duas entradas (v1 e v2).

Uma vez que se trata dum circuito linear, podemos aplicar princípio da sobreposição para determinar a relação entre a saída e as duas entradas.

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Começando por fazer v2 = 0V, obtemos o circuito da figura.

Note-se que como a corrente na entrada "+" do ampop é nula, o mesmo acontece à corrente no paralelo R1//R2 em série com essa entrada.

Como resultado, a queda de tensão em R1//R2 é zero e a entrada "+" está a um potencial de 0V.

A relação entre v′saída e v1 é por isso exactamente a mesma da montagem inversora:

11

2

1

2

1

vR

Rv

R

R

v

vsaida

saida

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Fazendo agora v1 = 0 por forma a determinar a contribuição da entrada v2 para a saída (v′′saída obtemos o circuito da figura.

A tensão v+ aos terminais da resistência R2 é dada por (regra do divisor de tensão),

21

22 RR

Rvv

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Por outro lado, v+ é a tensão aplicada à entrada duma montagem não-inversora, pelo que a sua relação com v′′saída é determinada por,

Logo,1

21

R

RRvvsaida

1

22

1

21

21

22 R

Rv

R

RR

RR

Rvv

v

saida

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Somando as contribuições das duas entradas para a saída do amplificador, obtemos finalmente,

Uma aplicação típica de amplificadores diferenciais consiste na sua utilização para amplificar o sinal obtido a partir de sensores ligados numa ponte de Wheatstone.

21

21

1

2 vR

Rv

R

Rvvv saidasaidasaida

121

2 vvR

Rvsaida

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