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Prof. Dr. Hamilton Klimach hklimach/Slides/E077_8_Op_Amp.pdf · PDF fileAMPLIFICADOR OPERACIONAL Prof. Dr. Hamilton Klimach ENG-04077 ... Efeito do ganho diferencial finito no ganho

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    DELET - EE - UFRGS

    Circuitos Eletrnicos I

    ENG 04077

    AMPLIFICADOR OPERACIONAL

    Prof. Dr. Hamilton Klimach

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 2

    O que ?

    Bloco analgico de baixo custo

    Amplificador pronto para o uso Verstil

    Eficiente

    Com vasta gama de aplicaes

    Caractersticas Ganho elevado

    Entrada na forma diferencial (amplifica a diferena entre os sinais de duas entradas)

    Baixa impedncia de sada e alta impedncia de entrada

    Emprega realimentao para determinar a relao entre a entrada e a sada (ganho)

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 3

    Para que serve?

    Originalmente, o AmpOp foi desenvolvido visando a implementao de operaes matemticas sobre os sinais Multiplicao por constante (amplificao)

    Soma (subtrao)

    Produto (diviso)

    Integrao (diferenciao)

    Potncia (raiz)

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 4

    Onde aplicado?

    Amplificadores em geral

    Circuitos comparadores de nvel

    Osciladores

    Filtros

    Sensores

    Amostradores e Retentores (sample & hold)

    Conversores (ADC e DAC)

    Outros...

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 5

    Pioneiros

    George Philbrick K2-W AmpOp (1952)

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 6

    Pioneiros

    Robert Widlar: uA702 - 1 AmpOp monoltico

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 7

    Pioneiros

    Fairchild uA702 (1964): 1 AmpOp monoltico

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 8

    Pioneiros

    Fairchild uA741 (1968): 1 AmpOp com compensao

    interna de frequncia (Dave Fullagar)

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 9

    Apresentando o AmpOp

    Simbologia e conexes

    Dois terminais de entrada (diferencial)

    Um terminal de sada (geralmente)

    Dois terminais de alimentao (simtrica)

    Geralmente, no apresenta conexo de terra

    Entradas Sada

    Fontes de

    Alimentao

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 10

    AmpOp Ideal x Real

    AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

    -Ganho diferencial infinito (Ad)

    -Impedncia de entrada infinita (Ri)

    -Impedncia de sada zero (Ro)

    AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

    -Ganho diferencial alto

    (Ad: 20.000 a 1.000.000)

    -Impedncia de entrada alta

    (Ri: 50 k a 5 M)

    -Impedncia de sada baixa

    (Ro: 10 a 200 )

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 11

    Estrutura Interna

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 12

    Modelo Linear Ideal

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 13

    Representao de Sinais

    Representao de dois sinais V1 e V2 atravs da superposio de dois

    sinais, um diferencial (Vd) e outro de modo comum (Vcm)

    2

    2

    2

    2

    1

    12

    12

    dcm

    dcm

    cm

    d

    vvv

    vvv

    vvv

    vvv

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 14

    Amplificadores Operacionais

    Aplicaes

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 15

    Amplificador Inversor A.O. ideal

    Configurao Inversora

    Resistncia de Entrada Infinita

    Corrente de entrada 0

    OpAmp ideal

    com ganho infinito

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 16

    Exerccio - Amplificador Inversor

    Calcule a expresso analtica do ganho do

    amplificador abaixo.

    Vantagem: operar com alto ganho empregando resistores de

    realimentao no elevados!

    OpAmp ideal

    com ganho infinito

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 17

    Exerccio - Amplificador Inversor

    Para o circuito abaixo determine os valores de v1, i1, i2, vo, iL e io. Determine o ganho de tenso vo/vi, o ganho de corrente iL/ii e o ganho de potncia PL/Pi (considere A)

    OpAmp Ideal

    com ganho infinito

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 18

    Amplificador Somador Ponderado

    Permite a soma de sinais com diferentes pesos

    OpAmp Ideal

    com ganho infinito

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 19

    Amplificador Somador/Subtrator

    Permite a soma de sinais com

    pesos positivos (no inversor) e

    negativos (inversor)

    Qual a expresso de vo?

    Caso clssico do emprego do

    teorema da superposio de efeito

    para determinao de vo!

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 20

    Amplificador No-Inversor

    Configurao No Inversora Configurao Inversora

    Quais so as diferenas entre as duas topologias?

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 21

    Amplificador No-Inversor

    Seqncia de Anlise

    Considerando o como OpAmp ideal:

    1. O Ganho infinito do OpAmp implica em tenso diferencial 0

    2. A tenso na entrada + replicada para a entrada - (tenso diferencial 0)

    3. Calcula-se a corrente em R1

    4. Corrente de entrada igual a 0

    5. A corrente em R2 igual a R1

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 22

    Buffer ou Seguidor de Tenso

    Caso particular do amplificador no inversor

    Tem ganho unitrio

    Tem por finalidade isolar a fonte de sinal da carga

    Tem resistncia de entrada infinita (Ideal)

    Tem resistncia de sada 0 (Ideal)

    Circuito Modelo Eltrico

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 23

    Exerccio

    Determine a expresso da tenso de sada vo em

    funo das tenses de entrada v1 e v2 (funo de

    transferncia do circuito).

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 24

    Amplificador Subtrator

    Anlise por Superposio

    Efeito de vI1

    Efeito de vI2

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 25

    Amplificador Subtrator

    Anlise por Superposio

    Efeito de vI1

    Efeito de vI2

    1

    1

    21

    2 0

    Io

    I

    vR

    Rv

    v

    2

    1

    2

    43

    42

    1

    1

    0

    Io

    I

    vR

    R

    RR

    Rv

    v

    1

    1

    22

    1

    2

    43

    4

    21

    1 IIo

    ooo

    vR

    Rv

    R

    R

    RR

    Rv

    vvv

    121

    2

    1

    1

    22

    3

    43

    43

    4

    1

    1

    22

    1

    2

    43

    4

    1

    2

    3

    4

    1

    R Fazendo

    IIo

    IIo

    IIo

    vvR

    Rv

    vR

    Rv

    R

    RR

    RR

    Rv

    vR

    Rv

    R

    R

    RR

    Rv

    R

    R

    R

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 26

    Amplificador Subtrator

    Anlise do efeito da tenso de Modo Comum - vCM

    0

    Se

    1

    1

    2

    1

    2

    3

    4

    1

    2

    3

    4

    43

    3

    1

    2

    1

    2

    43

    4

    CM

    d

    CM

    oCMCM

    CMoCM

    A

    R

    RA

    R

    R

    R

    R

    R

    R

    R

    R

    RR

    R

    v

    vA

    vR

    R

    R

    R

    RR

    Rv

    CMR = Ad/ACM

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 27

    Amplif. de Instrumentao

    Configurao Inicial Configurao Melhorada

    Verso Inicial:

    1. A tenso de modo comum tem o

    mesmo ganho que a tenso

    diferencial no primeiro estgio

    2. O Segundo Estgio responsvel

    pelo CMR

    Verso Melhorada:

    1. A tenso de modo comum no amplificada

    (Gcm = 1) no primeiro estgio, diminui a

    relao Vcm/Vd

    2. O Segundo Estgio responsvel pelo CMR

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 28

    Amplif. de Instrumentao

    Clculo da funo de transferncia

    Para promover a variao de

    ganho o resistor 2R1 pode

    ser substitudo pelo conjunto

    ao lado.

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 29

    Amplificadores Operacionais

    No-Idealidades

    Caractersticas e Limitaes Reais

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 30

    Amplificador Linear Ideal

    Amplificador de tenso excitado com um sinal vI(t) e conectado a uma

    carga resistiva RL Caracterstica de transferncia de um amplificador linear de tenso com

    ganho de tenso Av.

    iVo vAv

    sinal vO RL vi

    AMPL

    VCC

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 31

    Amplificador Real

    H uma parcela na sada que independe da entrada O ganho Av depende do sinal (amplitude e frequncia), da

    alimentao, da temperatura, da carga, etc A dependncia de Av. com a frequncia do sinal possui

    partes linear e no-linear

    ,...,,

    ,...,,,,

    CCL

    CCLiVV

    iVo

    VTRVV

    VTfRvAA

    VvAv

    sinal vO RL vi

    AMPL

    VCC

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 32

    Modelo de um AmpOp

    Modelo de um AmpOp real

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 33

    Especificaes de um AmpOp

    Especificaes de

    um AmpOp real ???

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 34

    Limitaes Estticas - DC

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 35

    Tipos de Caractersticas Estticas

    As caractersticas estticas principais de um

    AmpOp so:

    Ganho diferencial finito

    Tenso de off-set

    Correntes de polarizao de entrada

    ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 36

    Amplificador Inversor Ganho finito

    Efeito do ganho diferencial finito no ganho do amplificador (realimentado)

    dAR

    R

    I

    o

    d

    oo

    d

    oI

    R

    R

    v

    v

    A

    vRiv

    iR

    A

    vv

    i

    11

    2

    21

    2

    1

    1

    1

    211

    1

    OpAmp ideal

    com ganho finito A

  • ENG-04077 Circuitos Eletrnicos I 37

    Amplificador Inversor Gan