If you can't read please download the document

Ampops imperfeições

Download PPTX Report

Upload
luis-fm-timoteo
View
4.280
Download
0

Embed Size (px)

Citation preview

Ampop's_Imperfeies

AmplificadoresNo concordo com o acordo ortogrficoOperacionais

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

No entanto os Ampops tm: Ganho muito alto.Impedncia de entrada muito elevada (Zin = ).Muito baixa impedncia de sada (Zout = 0).Grande largura de Banda.Ampop IdealUm Ampop ideal, tem uma srie de parmetros, tais como Ganho e largura de banda infinitos, que ns sabemos serem impossveis na prtica.

Ampop IdealAmpop Real

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

hfhfhfh2Fig 12-2a&b ideal and practical op-amp

i(+), i(-) : correntes de entrada do Amplificador das entradas Inversora e no Inversora ,respectivamente.vid : A Voltagem de entrada da entrada inversora para a no inversora.+Vcc , -Vcc: Alimentao DC, geralmente +15V e 15VRin : Resistncia de Entrada, idealmente infinito.A : O ganho do Amplificador. Idealmente muito alto, na ordem de 1x1010 .ROut: Resistncia de sada, idealmente zerovOut: Voltagem de sada; vOut = AOLvid onde AOL o ganho em malha aberta.

vidInversoraNo Inversora

i(-)

i(+)vout = AdvidROutA

Sada

_+Ampop RealRin-VCC+VCC

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Ganho de tenso de malha aberta:200.000Tenso de offset de entrada:2mVCorrente de offset de entrada:20nACorrente de polarizao de entrada:80nASlew Rate:0,5V/sFT (frequncia de ganho 1): 1MHzResistncia de sada:75Resistncia de entrada:2MEfeitos de temperatura:.../C

Caractersticas do Ampop Real

Avin

in Z

out Z RL out V

Vinout I

vOS

B I B I IOS

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Regio Linear

0 -VCC /A

+VCC /A

(V - V )-+sat-V 80%-VCC

sat+V 80%+VCC

V0utVout

VSAT+VSAT-Ideal

Real

Linearidade

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros no ideais dos AmpopsParmetros de EntradaInput offset voltage (VOS): A tenso de deslocamento de entrada- a tenso diferencial, que deve ser aplicada entrada de um amplificador operacional para produzir uma sada de zero.Input Bias Current (IB+ e IB-): Mdia das correntes de polarizao nas entradas, inversora e no inversora, quando Vout = 0. (Devem ser iguais) IIB = (IB1+IB2)/2.Input offset Current (IOS ): a diferena entre as duas IBs quando Vout=0, IOS = IB+ IB- (se IB+=IB-, ento Ios=0, o que seria Ideal).Input Common Mode voltage Range (VCM): Amplitude mdia das voltagem aplicadas entre as entradas (em modo Comum) em que o Amplificador Diferencial permanece linear.(medidas entre as entradas e a massa). Input Resistance (Zin) : A resistncia de uma vista numa entrada quando a outra entrada est massa. (2M).

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros no ideais dos AmpopsParmetros de SadaOutput Resistance (Zout): Resistncia de sada do Ampop. (lembrar que o ideal seria Zout=0).(75).Output short-circuit Current (Iosc): Mxima corrente fornecida pelo Ampop. carga.Output voltage Swing (VOM): Dependendo da carga, o pico mximo de voltagem que o Ampop pode fornecer carga sem provocar saturao ou limitao.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros no ideais dos AmpopsParmetros DinmicosOpen-Loop Voltage Gain (AOL) : Ganho e circuito aberto : - Relao entre a voltagem de sada e a voltagem de entrada de um Ampop, sem realimentao externa.Large-Signal Voltage Gain: a relao entre a mxima voltagem na carga (VOM), e o sinal de entrada necessrio para que a sada v at um determinado valor. Ganho do Ampop em DC ou em baixas frequncias. Este parmetro importante devido relao existente entre a largura de banda passante e o ganho. Assim, intrinsecamente, quando maior for o ganho maior ser a largura de banda

Slew Rate (SR): Velocidade da reposta da tenso da sada de um Ampop, em relao entrada quando o circuito tem o ganho de 1. Mede-se em V/S Rise Time (TR): Tempo de subida de 10 a 90% do sinal de sada em resposta a um sinal aplicado entrada em circuito de malha fechada. Est relacionado com a Frequncia e com o Slew Rate.Phase Margin e Gain Margin: so medidas de estabilidade num sistema de realimentao. Na realimentao negativa, uma amostragem da sada, que est desfasada 180 com o sinal de entrada, usada para manter a estabilidade, mas se o sinal tiver mais de 180 de desfasamento provoca instabilidade pois em vez de se subtrair ao sinal de entrada, vai somar-se dando realimentao positiva

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros no ideais dos AmpopsOutros ParmetrosCommon Mode Rejection Ratio (CMRR): Medio da capacidade de um Ampop., de rejeitar sinais iguais aplicados a ambas as entradas. Pode ser expresso em dBs. Power Supply Rejection Ratio (PSRR): a razo de variao da tenso de sada do Ampop em relao s variaes da tenso de alimentao. Settling Time (TS): Tempo de Estabilizao, TS, o tempo necessrio para a tenso de sada estabilizar, dentro de uma percentagem especificada do valor final, em resposta a uma comutao rpida no sinal de entrada.Total Harmonic Distortion + Noise (THD+N): Distoro harmnica total mais rudo, THD + N, a relao de todos os outros componentes de frequncia para a fundamental.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros de Entrada: Input Bias Current (IB+ e IB-): Parmetros no ideais dos AmpopsCorrente de Polarizao de Entrada, IB, a mdia das correntes que fluem para os terminais de entrada inversora e no inversora do amplificador operacional.Idealmente, a corrente de polarizao de entrada 0. Mas, para um amplificador operacional real a mdia da corrente a partir de ambas as entradas. IB = (IINV + INON) / 2.Corrente de polarizao de entrada de ter em conta, quando a impedncia da fonte elevada. Se o amplificador operacional tem uma corrente de polarizao de entrada de elevada, ela carregar a fonte e ir resultar numa tenso inferior esperada.A melhor soluo usar um Ampop com um CMOS ou entrada JFET. A impedncia de fonte pode tambm ser reduzida usando um andar Buffer para alimentar um amplificador operacional que tenha elevada corrente de polarizao entrada.

The input impedance is directly related to the input bias current and the following graph compares the typical bias currents for various technologies.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros de Entrada: Input Bias Current (IB+ e IB-): Parmetros no ideais dos AmpopsDevido s imperfeies inerentes ao fabrico, ou correntes (DC) indesejveis, de base ou de Gate, entram correntes nas entradas inversora e no-inversora do Ampops. Elas so da ordem de nA para Ampops a base de BJTs, e pA, para Ampops baseados em FETs..Ento a corrente de polarizao,

E a corrente de correco (offset current), Normalmente,

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

VinVout

R2R1

Ib=50pA

Corrente (e.g. 50pA)Parmetros de Entrada: Input Bias Current (IB+ e IB-): Parmetros no ideais dos AmpopsI2I1 = I2 = I3+IbI1I3

Erros em Montagem Inversora

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

12Next ....

Let's break the next most obvious rule. Let's allow a small-but-non-zero current to enter the Op-Amp's input. We'll make it 50pA (50x10-12A) - just for the sake of argument.

We can't then treat R1 and R2 as a simple potential divider,As I3 is not equal to I1 and I2 ... some current has taken a right turn and disappeared into the Op-Amp ... the Input Bias Current Ib = 50pA.

We'll give the Op-Amp back its infinite gain, so we CAN use Golden Rule#2 again - but not Golden Rule#1!

Parmetros de Entrada: Input Offset Current (Ios): Parmetros no ideais dos Ampops

Corrente de deslocamento de entrada (IOS) igual magnitude da diferena das duas correntes de polarizao:IOS= IB1-IB2

Input Bias CurrentOp-Amp Model

Entradas diferenciais:IB=IB1+IB2

2=I/2

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

13Not much to say about this. We follow the algebra through and out comes a gain equation that's correct but for a small extra term R2Ib.

When does this one matter? Clearly when R2Ib is small. You can fiddle around and convince yourself algebraically what this means. The bottom line is that it becomes a problem when Ib is comparable to I1, I2, and I3. So - if R1 and R2 are very large, I1I3 will be small and we are in trouble. The gains of Op-Amp circuits are determined by resistor RATIOS, so we can, in principle, chose R1 and R2 to be of the order of Ws, kWs, MWs or even larger. Input Bias Current suggest that we should not make them too large.

Input Offset Voltage (Vos) Voltagem que deve ser aplicada numa das entradas, sendo a outra zero, para que a sada seja zero.(lembrar que o ideal seria Vos=0).Parmetros de Entrada: Input Offset Voltage (VOS-): Parmetros no ideais dos AmpopsI1I2

VinVoutR2R1

idealVos

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros de Entrada: Input Offset Voltage (VOS-): Parmetros no ideais dos Ampops

-VccVoutR2R1Vos

+Vcc

For OP177F:VOS = 25V max @ +25CVOS DRIFT = 0.1V/C maximumVOS STABILITY = 0.3V/month typical 10K10K1010Clculo:

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Input Offset Voltage (Vos) Voltagem que deve ser aplicada numa das entradas, sendo a outra zero, para que a sada seja zero.(lembrar que o ideal seria Vos=0).Este desvio provocado pela diferena entre os componentes supostamente iguais e tambm devido a variaes de temperatura.VoVos=

AvfAvf =Rf

R1Rf a resistncia de realimentao negativa e R1 a resistncia da entrada no nula. Avf o ganho em malha fechada.Se no houvesse correntes de entrada a Vos seria =0 Medio da VosParmetros de Entrada: Input Offset Voltage (VOS-): Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros de Entrada: Input Offset Voltage (VOS-): Parmetros no ideais dos AmpopsVout = A [V+ - V- + Vos]

VinVout

R2R1

Ib=50pA

I2I1I3I1=I2=I3=IV-= Vout R1/(R1 + R2)Mas Vout = A[V+- V- + Vos] Atemos V+ - V- + Vos = Vout/AV+ = Vin = V- - VosEnto V-= Vout R1/(R1 + R2) que d...Vin = Vout R1/(R1 + R2) - VosVout = ( Vin + Vos ) (1 + R2/R1)

Vos= erro

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

VinVout

R2R1

i1i2V1V2IB1IB2

Parmetros de Entrada: Input Offset Voltage (VOS-): Parmetros no ideais dos Ampops

Teramos que manter R1 pequeno para minimizar os efeitos da VOS , mas quais seriam os efeitos na resistncia de entrada do amplificador?Impacto no Amplificador Inversor

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros de Entrada: Input Offset Voltage (VOS-): Parmetros no ideais dos Ampops

Teramos que manter R2 pequeno para minimizar os efeitos da VOS , mas quais seriam os efeitos no Ganho do amplificador?Impacto no Amplificador No Inversor

VinVout

R2R1

i1i2V1V2IB1IB2

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros de Entrada: Input Offset Voltage (VOS-): Parmetros no ideais dos AmpopsComo resolver o problema?Impacto no Amplificador Seguidor (Buffer) - Compensao0 Volts

IB2+-

R1IB2

VinVout

V1V2

Vout= Vin+R1IB2

IB1

1M+-RComp

Rcomp=R1

Inserindo uma resistncia de igual valor a R1. No altera as impedncias, nem o ganho do circuito e anula os efeito da corrente de polarizao IB.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Tipicamente: VOS =5mVVout= 0Vout = Saturao?Voltagem DC que deve ser aplicada numa das entradas, sendo a outra zero, para que a sada seja zero. (lembrar que o ideal seria VOS=0 e que VOS devida a Ibs diferentes do par diferencial (IOS,) desvios devido a temperatura ).

VoutVid

preciso:

Parmetros de Entrada: Input Offset Voltage (VOS-): Parmetros no ideais dos AmpopsOutput offset voltage

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Usa-se a seguinte montagem para azeramento do 741. Tenso de compensao de entrada na ordem dos 5 mV.Parmetros de Entrada: Input Offset Voltage (VOS-): Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Usa-se a seguinte montagem para azeramento do 741. Que difcil porque est em malha aberta com ganho muito elevado (Rf= ) mas com ambas as entradas massa, significa Vin=0.

Usa-se a seguinte montagem para azeramento dos Ampops que no tenham pinos 1 e 5 para compensao externa, na montagem inversora. (em malha fechada).Tenso de compensao de entrada na ordem dos 5 mV.Rp- Elimina erros de IBP - Elimina erros de VosParmetros de Entrada: Input Offset Voltage (VOS-): Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

IB1

IB2Parmetros de Entrada: Input Offset Voltage (VOS-): CompensaoParmetros no ideais dos Ampops

IB1

IB2

VinVout

R2R1

i1i2V1V2Inversor

Vout

R2R1

i1i2V1V2

Inversor

IBRcompVin

IB+-RcompRcomp=R1//R2

Para compensar a voltagem de Offset (VOS) resultante do IOS , para as montagens Inversora e Inversora, insere-se no circuito da entrada no inversora (+), uma resistncia de compensao de valor igual ao paralelo de R1//R2.Vin

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros de Entrada: Input Common Voltage Range (VCM): Parmetros no ideais dos AmpopsLimite da Voltagem de Entrada - Tudo comea no circuito de entrada dos Ampops . O Par Diferencial.

VCMAssumindo que aplicamos uma voltagem de entrada em Modo Comum, tal que Vcm=v1=v2 quando a Vcm aumenta VCB de Q1 e de Q2 baixa, uma vez que as voltagens de colector esto fixas em:

Se assumirmos que a mnima voltagem Base Colector seja zero, estando o transistor no Modo Activo at esse ponto, o valor mximo da voltagem VCM :

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros de Entrada: Input Common Voltage Range (VCM): Parmetros no ideais dos AmpopsA tenso de entrada em modo comum definida como a tenso mdia nos pinos da entrada inversora e da no inversora.Se a tenso de modo comum fica muito alta ou muito baixa, as entradas sero desligadas e o funcionamento cessa. A tenso de entrada em modo comum , CMVR, especifica o intervalo em que a operao normal garantida.Este grfico mostra Tenso de deslocamento da entrada (VOS) vs tenso em Modo Comum. A linha azul o valor real da tenso medida em Entrada em Modo Comum (VCM). A linha vermelha o valor calculado.

VOSVCMO limite superior determinado pelo ponto de saturao de um dos dois transistores de entrada.O limite inferior determinado pelo transistor que fornece a corrente de polarizao.3.1 mV/V(50 dBs)

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

FonteAmpopCarga

Parmetros de Entrada/Sada: Rin e Rout : Parmetros no ideais dos Ampops

R1Rin

RoutRL

RF+

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

A Impedncia de entrada pode ser vista como:

Onde R a impedncia equivalente do circuito da caixa vermelha, que :

Porm, com o circuito de Baixo,

Parmetros de Entrada: Rin Montagem InversoraParmetros no ideais dos Ampops

Vamos estudar a montagem Inversora, que que apresenta certos inconvenientes em relao impedncia de entrada, j que na impedncia de sada no h grandes diferenas entre as montagem inversora e a no inversora.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Finalmente, podemos calcular a impedncia de entrada como:

Sendo

, Rin fica,

Novamente Como:

O que est de acordo com tudo o que se disse sobre a impedncia de entrada de uma montagem inversora.Parmetros de Entrada: Rin Montagem InversoraParmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Consideremos somente a impedncia puramente resistiva i.e. Vi assumido como sendo 0V.Primeiro a figura (a), Entrada:

Usando KCL, io = i1+ i2

Substituindo pela equao da Fig. (a) na sada (fig. (b):

R e A comparavelmente grandes,

(a)(b)Parmetros de Entrada: Rin Montagem InversoraParmetros no ideais dos Ampopsioi2i1

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Amplificador InversorIdealmente a resistncia de entrada para esta configurao, equivalente a R1. No entanto, para ser mais preciso, o valor da resistncia de entrada dado pela seguinte frmula:

Idealmente a resistncia de sada zero, mas a frmula seguinte d um valor mais preciso:

Nota:

Como determinado pelo projecto, podemos aument-lo para aumentar a impedncia de entrada Zinf.Amplificador Inversor e Inversor A impedncia de sada (Zoutf) diminui quando aumentamos : Parmetros de Entrada/Sada: Rin e Rout : Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

medida que a frequncia e o ganho aumentam, a impedncia de Entrada (Rin) diminui, e a impedncia de sada (Rout), aumenta. Parmetros de Entrada/Sada: Rin e Rout : Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Input resistance (Rin) : A resistncia de uma entrada quando a outra est massa.No 741 Rin da ordem de 2M e Rout 75 . Com FETs a ri pode ir at 10 M. Medio da RinV1=

Vin xRinRin+R1Rin=

V1xR1Vin-V1

VgVmax=Vef Parmetros de Entrada Rin : Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros de Sada Output voltage Swing (VOM): Parmetros no ideais dos AmpopsDependendo da carga, o pico mximo de voltagem que o Ampop pode fornecer carga sem provocar saturao ou limitao, quando a tenso de sada DC quiescente zero.

D1D2+Vcc-VccR1R2VoutQ1Q2

-Vcc+Vcc0VVOM limitada pela impedncia de sada do amplificador, pela tenso de saturao dos transistores de sada, e pelas tenses de alimentao.VOM depende da carga na sadaQueda tenso em R2 + Vsat de Q2.Queda tenso em R1 + Vsat de Q1.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Excurso da tenso de sada limitada pela alimentaoA tenso da sada no pode superar a tenso de alimentao positiva nem baixar abaixo da alimentao negativa.

Vout

VCC-VCC

VdVout

VCC-VCC

2V2V

Para uma tenso de alimentao especificada, a gama de tenses de sada normalmente 2-3 volts menos (cerca de 80%). Por exemplo, quando um 741 fornecido com 15V, o intervalo de sada garantida de 13V .Parmetros de Sada Output voltage Swing (VOM): Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

VinVout90k

10k

Vout(ideal)+15V-15V

Vout(actual)

+15V-15V+1.5V-1.5V

VinExcurso da tenso de sada limitada pela alimentaoParmetros de Sada Output voltage Swing (VOM): Parmetros no ideais dos Ampops

+13V-13V

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

36And exactly the same effect occurs when we ask an Op-Amp to deliver output signals outside the range of the power supplies. Here the output should peak at 15V. The Op-Amp has nowhere to get 15V from., so it outputs the best it can - the 10V of the positive supply (actually it is likely, in practice, to clip at a lower voltage than +10V). More clipping - more distortion.NB : Note change of y-axis between input and output oscilloscope screens in this slide.

VinVout20k

10k

Vout(ideal)

Vout(actual)

+15V-15V+1.5V-1.5V

VinParmetros de Sada Output Current Limit (Iomax): Parmetros no ideais dos Ampops

+13V-13V

+1,5V-1,5V

Iout= +15mAIout= -15mA Io(max) =10mA)

IoutIo(max) = 10mAVo(max) = RLxIo(max) = 1VRL 100

Acontece limitao, quando a corrente mxima de sada atingida.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

37And exactly the same effect occurs when we ask an Op-Amp to deliver output signals outside the range of the power supplies. Here the output should peak at 15V. The Op-Amp has nowhere to get 15V from., so it outputs the best it can - the 10V of the positive supply (actually it is likely, in practice, to clip at a lower voltage than +10V). More clipping - more distortion.NB : Note change of y-axis between input and output oscilloscope screens in this slide.

Limitao = Extra Harmnicas?Sntese de FourierOnda SinusoidalSomar Harmnicas- Aqui, 3 e 5Leva-nos a uma onda quase quadradaMais harmnicas leva-nos a uma onda quadrada!

++=Parmetros de Sada Output Current Limit (Iomax): Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

38When would clipping be useful? Well - if a pure (say 200Hz) sine wave is Fourier-analysed (i.e. put through a spectrum analyser) it will have one component at 200Hz. Clipping can also be seen as the addition of higher harmonics - signals at frequencies of 400Hz, 800Hz, 1.6kHZ etc. In music, very few signals are anywhere near pure tones - in fact very pure sine waves sound nasty. (Ellectric) blues guitarists in the middle of this century decided they liked the sound of the harmonics introduced by clipping and most rock, pop, blues, heavy-metal, grunge (etc) music REQUIRES the sound of clipping. I'll let you hear it in the lecture.

Acoplamento DC- SaturaoGanho = -2.0

10V5V

Vin = 10V, Vout = -20V -15VVin = 5V, Vout = -10V

DC+ACDC+AC

VinVout2k

+15V-15VParmetros de Sada Output Current Limit (Iomax): Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

39Here's another issue. A signal oscillating between 5V and 10V has an amplitude of 2.5V. It is connected directly to the Op-Amp circuit ... a technique known as "DC Coupling". Amplifying it with a gain of -2 should not be a problem - it's amplitude will go to 5V ... well within the -15V and +15V of the power supply.Unfortunately, the 2.5V amplitude signal is sitting on top of a 7.5V DC "offset" that is also amplified So the output signal will oscillate between -10V and -20V. This isn't possible, as the Op-Amp can't do better than -15V and it simply lops off half of the sinewave. Not good.What can we do to remove the DC bit (assuming that it's not of interest to us)?

0.1F

10V5VDC+AC

AC only

2k1k

VinVout

Acoplamento AC- Limitao em frequnciaParmetros de Sada Output Current Limit (Iomax): Parmetros no ideais dos AmpopsAC only

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

40Here's the answer. A capacitor has an impedance of to DC signals - they simply don't get through it (more anon). Conversely, it does not impede high frequency signals significantly. So - placing a capacitor in the signal path removes the 7.5V DC component, leaves the oscillating bit unscathed and all is well - we amplify a signal oscillatying between+2.5V and -2.5V and nothing is lopped off (apart from the 7.5V DC that is!). This is known as AC coupling.Note that DC and AC appear on your oscilloscope - setting "DC" shows the whole signal - DC and AC components. Setting "AC" pops a capacitor in line with the scope probe and the DC component disappears.

O ganho de tenso em malha aberta, AvOL, de um amplificador operacional pode ser definida como a razo entre a variao da tenso de sada para a mudana da voltagem de entrada.AVOL normalmente especificado para pequenos sinais , e a relao do ganho com a entrada pode ser observada na curva de no saturao do Ampop, mostrada na sua curva de transferncia.A magnitude da AvOL para um amplificador operacional em particular, depende da carga e do valor das fontes de alimentao. Os valores para AvOL so dados normalmente para tenses de alimentao e cargas especificadas.Parmetros Dinmicos Open-Loop Voltage Gain (AOL) : Parmetros no ideais dos Ampops

Vout

VCC-VCC

VinVout

VCC-VCC

2V2V

A tenso de entrada a tenso medida directamente entre as entradas inversora e no inversora.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros Dinmicos Open-Loop Voltage Gain (AOL) : Parmetros no ideais dos AmpopsO ganho de malha aberta de um amplificador operacional o ganho obtido quando nenhum feedback usado no circuito

Talvez o primeiro factor a ter em considerao de um especfico Ampop o seu Produto Ganho de Largura de Banda Passanteou GBP Para a curva de resposta da Figura, o produto do ganho de malha aberta e frequncia uma constante em qualquer ponto na curva, de modo que: GBP = AOLBWEm frequncias muito baixas, o ganho em malha aberta de um Ampop constante, mas comea a decrescer por volta dos 6 Hz ou menos, a uma taxa de -6dB/oitava ou -20dB/dcada (uma oitava uma duplicao em frequncia, e uma dcada um aumento de dez vezes na frequncia). Esta diminuio continua at que o ganho a unidade, ou 0 dB. A frequncia em que o ganho a unidade chamada de frequncia de ganho unitrio ou a Ft.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Oitavas e dcadas:Oitava: variao em dobro da frequncia

Dcada: variao decimal da frequncia

Ex: f1 = 120 Hzf2 = 240 Hzf3 = 480 Hzf4 = 960 HzEx: f1 = 120 Hzf2 = 1200 Hzf3 = 12000 Hzf4 = 120000 HzParmetros Dinmicos Open-Loop Voltage Gain (AOL) : Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Largura de banda um parmetro muito importante. A largura de banda de frequncia medida no ponto em que o ganho do amplificador operacional cai para 0,707 ou (1 / 2) do seu valor da gama de frequncias. Este ponto geralmente referido como o ponto de -3 dB do amplificador e indica que o ganho naquele ponto caiu de 3 dB a partir do seu valor mximo.Na configurao de Malha Fechada, o ganho do amplificador DC ou o ganho do amplificador de frequncia zero reduzido. No entanto, a largura de banda amplificador operacional muito mais ampla, o que significa que a frequncia com que o amplificador operacional aumentou para alm desse estabelecendo um novo ponto de -3dB para o ganho actual e assim sucessivamente.. Parmetros Dinmicos Gain . Bandwith Product (GBP) : Parmetros no ideais dos AmpopsFrequncia de ganho unitrio

Pontos-3 dBGanho0 dBsFrequncia Ganho em Malha abertaGanho em Malha FechadaA configurao Malha aberta tem o maior ganho DC. No entanto, como o grfico mostra, nesta configurao a largura de banda extremamente limitada. Isto significa que o ganho comea a baixar em apenas Hz alguns, ou que a frequncia de -3 dB apenas de alguns Hz.A frequncia em que o ganho de amplificador operacional de apenas 1 ou est em 0 dB chamada de frequncia de ganho unitrio e consta nas especificaes do Ampop.

20 log(0.707)=3dBFcFT

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros Dinmicos Gain . Bandwith Product (GBP) : Parmetros no ideais dos Ampops

Devido a capacitncias internas utilizadas nos amplificadores operacionais, existe um limite superior para o ganho no que diz respeito frequncia do sinal de entrada. Para ser mais preciso, o Produto Ganho de Banda Passante (GBP) constante acima de uma certa frequncia de operao. Sob operao de malha fechada o ganho normalmente negociado com a largura de banda. A largura de banda mxima para quando o ganho 1 FT.

Exemplo: Se para o seguinte Ampop, com ganho em Malha Aberta de 100 dBs(105) at 40Hz, encontrar a sua largura de banda mxima num circuito em Malha Fechada, com o ganho de 40 dBs (100).Resposta:40 kHz.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Vout /Vin = 100 Ganho Circuit AvCLAvOL Ganho Circuito Ganho AmpopParmetros Dinmicos Gain . Bandwith Product (GBP) : Parmetros no ideais dos Ampops

VinVout990k

10k

+15V-15V

BWBW

0Hz

10 Hz100Hz1kHz10kHz100kHz1MHz

A=1A=10A=100A=1000A=10000A=1000000dB20dB40dB60dB80dB100dB20 dB/dcadaFT

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

46An Op-Amps gain may be acceptably large at low (signal) frequency, but may drop off dramatically for high-frequency signals. We'll be looking at filters soon and you will see how signal frequency gets into the picture. For now let's just look at an Op-Amp whose gain A drops from 100,000 to 1 as signal frequency rises from 100Hz to10MHz (this is a pretty crappy Op-Amp, for illustration!). We'll put the Op-Amp in the circuit shown, with a circuit gain of 100.As we showed under "Finite Gain", this becomes a problem when the Op-Amp's gain A has dropped to hundreds, as opposed to hundreds of thousands - this happens here around 80kHz. Then the finite gain effect kicks in and the circuit gain drops, following the Op-Amp gain. Not good - and therefore not a usable amplifier for high (or even moderately-high, with this cheap-and-nasty Op-Amp!) frequencies.

Para usar um Ampop como amplificador temos que considerar algumas caractersticas fundamentais que so:Gain . Bandwith Product (Produto Ganho por Largura de Banda Passante) GBP Open Loop Gain (Ganho em malha aberta) AOLGain x Bandwith (Produto Ganho Banda Passante)GBP constante em qualquer ponto da curva, isto : com um ganho de 200 a largura de banda 5 Khz.=AOL.BW em que BW = FT/ASendo FT a frequncia de ganho unitrio do A741, que de 1MHZ, pelo que com o ganho mximo (200.000) a BW de 5Hz.

5Hz BW=1.000.000 Hz/200.000 = 5Hz Para 1 MHz o ganho ser 1 1.000.000=1.000.000 Hz / Ganho = Ganho = 1.000.000/1.000.000=1 EX: BW=1.000.000 Hz / 200.000 = 5HzParmetros Dinmicos Gain . Bandwith Product (GBP) : Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Determine a frequncia de corte (Fc) de um Ampop que tem uma frequncia de Ganho unitrio FT = 10 MHz e um ganho diferencial de voltagem de Ad = 20V/mV.

Como FT = 10 MHzUsando a equao do GBP:FT = Ad . FCFc = FT / Ad = 10 MHz / 20 V/mV= 10 106 / 20 103= 500 Hz

10MHz

? HzParmetros Dinmicos Gain . Bandwith Product (GBP) : Parmetros no ideais dos AmpopsExemplo:

Fc1FTSoluo?

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Malha aberta:BW = fc = 5HzAtenuao de 20dB/dcada entre A e BGanho unitrio: fT = 1 MHzMalha fechada: ( realimentao negativa):Avf = 10 ( 20 dB)Ganho unitrio: fT = 1 MHzBW = 1MHz/10 = 100 kHzA freqncia de transio fT fornecida no manual do fabricante

Parmetros Dinmicos Gain . Bandwith Product (GBP) : Parmetros no ideais dos AmpopsA741

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros Dinmicos Phase Margin e Gain Margin : Parmetros no ideais dos AmpopsMargem de ganho de um amplificador o ganho no ponto em que j houve uma mudana de fase de 180 . Se o ganho neste ponto mais do que a unidade, em seguida, o amplificador vai ser instvel.Isto porque uma vez que houve uma mudana de fase 180 , a realimentao a partir deste ponto passa a ser positiva, criando instabilidade e leva saturao. Em termos de dBs, o ganho negativo (realimentao negativa) estvel a um deslocamento de fase de 180.--+

Vin

Vout

Vin VRAOLb

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros Dinmicos Phase Margin e Gain Margin : Parmetros no ideais dos AmpopsMargem de fase a diferena entre a fase em que o ganho a unidade (0 dB) e 180 . Se a 0 dB o atraso de fase maior, em seguida, a 180 , o amplificador instvel. Isto devido razo explicada anteriormente. Isto implicaria que a margem de ganho positiva.

Avf(Hz)0 dB0 dB

f(Hz)0 -90-180

GainMarginPhaseMarginMargens de ganho e de fase so medidas de estabilidade para um sistema de feedback.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

0-180Fase do Ganho AFrequncia

Fase(A)Vout = +A[Vinv - Vnoninv]Vout = -A[Vnoninv - Vinv]+-

Realimentao Positiva!!Vout = A[Vnoninv - Vinv]

AOK

NBParmetros Dinmicos Phase Margin e Gain Margin : Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

52Or - the gain may stay OK in magnitude, but it's PHASE may change - as shown here. This may sound innocuous, but a phase change of 180 changes Vinv to Vnoninv and thus negative feedback becomes positive feedback.

BAD NEWS.

Resposta em frequncia de um amplificadorEm todo amplificador aparecem elementos reactivos (condensadores, indutncias, etc. Uns introduzidos por nos outros para realizar uma certa funo (p.e. eliminar continua, filtrar, etc. e outras muitos parasitas (indutncia de cabos, capacidades parasitas de unies PN, etc. conhecido como DIAGRAMA DE BODE a representao da variao de ganho de um amplificador com a frequncia (mdulo e argumento)A = MDULO = Relao de amplitudes

Vin

Vout

Relao de amplitudes(MDULO)

Desfase(ARGUMENTO)Parmetros Dinmicos Phase Margin e Gain Margin : Parmetros no ideais dos AmpopsA

= ARGUMENTO = Desfase

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Parmetros Dinmicos Large-Signal Voltage Gain (VOM) : Parmetros no ideais dos AmpopsGanho do Ampop em DC ou em baixas frequncias. Este parmetro importante devido relao existente entre a largura de banda passante e o ganho. Assim, intrinsecamente, quando maior for o ganho maior ser a largura de banda Parmetros Dinmicos Slew Rate (SR) : Slew Rate (SR): taxa de subida, taxa de resposta ou taxa de giro. Mxima taxa de variao de sada por unidade de tempo, V/s.Determinado pelo fabricante.

Para uma f determinada achamos um VPico mximo

Vpico

V0fVout

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

O efeito do Slew Rate distorcer o sinal quando este ultrapassa a capacidade de resposta do Ampop.Mede-se em V/s. No 741 da ordem de 0,5V/s mantendo-se constante com a frequncia, varia a Vout max.

Efeitos de Slew Rate

EntradaSada

DtVpico = SR.106/2.FmaxFmax = SR.106/2 .. Vpico(Vo/ t)No A741 o SR= 0,5V/s quer dizer que se se aplicar um impulso rectangular na entrada, a sada vai de 0 a 10V em: 10:0,5 = 20 s.

SR = 2.. Fmax. Vpico

tV SR=

Parmetros no ideais dos AmpopsParmetros Dinmicos Slew Rate (SR) : a velocidade de variao da tenso de sada, em resposta a um sinal aplicado na entrada, na frequncia para a qual o circuito tem ganho 1.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Taxa de variao, SR, refere-se taxa mxima de variao da sada do amplificador por unidade de tempo.Taxa de variao SR expressa em:

Taxa de variao SR expressa o quo rpido a sada do amplificador operacional pode acompanhar a entrada. No grfico abaixo, o sinal de sada "giro". O sinal de azul aplicado entrada do amplificador e o sinal vermelho, a sada, vai tentar seguir a entrada to rpido quanto possvel, mas na sobre as bordas de subida e de queda.

V0f

VinVout

Parmetros no ideais dos Ampops

Parmetros Dinmicos : Slew Rate (SR) :

SR pode limitar a largura de banda usvel de um circuito para um ponto muito menor do que o de - 3 dB de largura de banda

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Medio do SRSlew Rate (SR): Mede-se usando o Ampop com ganho unitrio, aplicando entrada um sinal quadrado , verificando-se a sada com o osciloscpio.

Parmetros no ideais dos AmpopsParmetros Dinmicos : Slew Rate (SR) :

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Slew Rate (15V/Sec)0V15V0V5V

Vout(ideal)

VoutVin

15V em 0.2s

Vout(actual)15V in 1s

VinVout20k

10k

Parmetros Dinmicos : Slew Rate (SR) : Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

58Slew rate is a simple one - the Op-Amp may simply be unable to change its output voltage fast enough. If it's maximum rate of change is 15V/msec, that is the Slew Rate.

An Op-Amp with a high slew rate will generally be power-hungry (i.e. will consume more power than a slower one) and is the Op-Amp equivalent of a Ferrari. An Op-Amp with a low slew rate is the Op-Amp equivalent of a Citroen 2CV - cheap and cheerful!

-15V

+15V

Vout(ideal)Vout(actual)

-1V

+1V

Vin1kHz

15V/msec)

VinVout14k

Slew Rate (15V/Sec)Parmetros Dinmicos : Slew Rate (SR) : Parmetros no ideais dos Ampops

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

59You may also find some odd effects with AC signals and slew rate - limited slew rate may result in both an apparently reduced gain and to distortion (triangular) as the Op-Amp simply ramps its output up and down as fast as it can.NB : Note change of y-axis between input and output oscilloscope screens in this slide.

Um amplificador tem que responder, para que atinja sua potncia mxima, a uma amplitude de 10Vp e possui uma SR = 0,5V/us. Qual a maior frequncia com que ele poder trabalhar sem exibir distoro por limitao de slew-rate?A condio :fmax = SR.106/2..Vp fmax = (0,5V/s .106)/(2..10Vp) = 7.960Hz = 7,96kHz.

Supondo que uma largura de banda de 20kHz nos seja apropriada, qual a tenso mxima de sada sem distoro. Assim como antes, inserimos os valores em:Vp = SR.106/2..fmax para obter:Vp = (0,5V/s.106)/(2..20000Hz) = 3,98VpSlew Rate (SR): Exemplos de exercciosParmetros no ideais dos AmpopsParmetros Dinmicos : Slew Rate (SR) : Para o Ampop LF 351, Vp = 10V e SR = 12V/ s. Qual a FC ( fFP) para este amplificador?( fFP) Full Power Bandwidth=BW=FC

fFP =

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

1. Para um determinado AOP o fabricante especificou um ganho mximo, em malha aberta, de 112 dB. Determinar o ganho do AOP (malha aberta) no ponto da freqncia de corte do mesmo.Av0(dB) = Avo (mx) (dB) -3dBAv0(dB) = 112 - 3Av0(dB) = 109 dB2. Em um amplificador, utilizando o CA 741 alimentado com 15 , deseja-se um sinal de sada com amplitude de 12 V. Determinar a freqncia mxima do sinal de entrada senoidal, dado que SR = 0,5 V/s.SR = 2fVpf = SR/ 2Vpf = 0,5.106/ 212f=6,63KHz Exerccios:Parmetros no ideais dos AmpopsParmetros Dinmicos : Slew Rate (SR) :

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

3. Repita o exerccio anterior para o LM318, que possui SR = 70 V/s.SR = 2fVpf = SR/ 2Vpf = 70.106/ 212f = 928,4 kHz4. O AOP utilizado em um amplificador possui SR = 4V/s. Determinar a amplitude mxima do sinal senoidal de sada, no distorcido, na freqncia de 100 kHz.SR = 2fVpVp = SR/ 2 f Vp = 4.106/ 2(105)Vp = 6,37 VExerccios:Parmetros no ideais dos AmpopsParmetros Dinmicos : Slew Rate (SR) :

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

H outro factor a considerar chamado Transiente Response ou Rise Time , (Tempo de resposta ou tempo de subida) como sendo o tempo que o sinal de sada leva desde 10% at 90% do seu valor final quando aplicado um impulso na entrada em condies de malha fechada.O Rise Time (Tr).est relacionado com a largura de banda da seguinte forma:BP = Fh - FI(Fh frequncia limite superior de corte menos 3 dBs)

Tr = 0.35 /BW.No A741 10KHz(FI frequncia limite inferior de corte.(Tr) Rise Time.Parmetros no ideais dos AmpopsParmetros Dinmicos : Rise Time (Tr) :

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Est relacionado com o Slew Rate (SR) e com a largura de Banda (BW) e voltagem mxima de sada Vp. (Vom)Parmetros no ideais dos AmpopsParmetros Dinmicos : Rise Time (Tr) :

Rise-Time (Tempo de Subida - dado p/ fabricante ): Tempo gasto pelo sinal de sada para variar de 10% a 90% de seu valor final. Frequncia de corte:Frequncia no qual temos uma reduo pela metade da potncia de sada mxima ou uma reduo de 0,707 e na tenso de sada mxima:

Para amplitudes altas:

10%90%Vo

Vo(V)t(s)

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

OVERSHOOT ( sobrepassagem):

Fornecida pelo fabricante, representa em percentagem, o quanto o sinal ultrapassa o seu valor mximo at atingir o estado permanente.

Overshoot

10%90%Vo

Vo(V)t(s)

TrParmetros no ideais dos AmpopsParmetros Dinmicos : Rise Time (Tr) :

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Vo(V)t(s)

TSTolerncia

Overshoot

Vin(V)t(s)Parmetros no ideais dos AmpopsParmetros Dinmicos :Settling Time (TS) : Tempo de Estabilizao, TS, o tempo necessrio para a tenso de sada estabilizar, dentro de uma percentagem especificada do valor final, em resposta a uma comutao rpida no sinal de entrada. preciso um tempo finito para um sinal se propagar atravs do circuito interno de um amplificador operacional e, portanto, que leva um perodo de tempo para a sada para reagir a uma mudana de passo na entrada. Alm disso, a sada normalmente ultrapassa o valor alvo, exibe algumas oscilaes amortecidas, e, em seguida, estabiliza num valor final.

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais Imperfeies14-04-2012Por : Lus Timteon

Num DAC, tempo necessrio para o sinal de sada para estabilizar dentro de + / - LSB do seu valor final, aps uma dada alterao na escala na entrada.Limitado pela taxa de variao da sada do amplificador (SR).Idealmente, uma mudana instantnea na tenso analgica da sada deveria ocorrer quando um novo dado binrio entra no DAC.

Parmetros no ideais dos AmpopsParmetros Dinmicos :Settling Time (TS) : Exemplo: Para um sistema de 10 bits ts = 100ns1 LSB = 1/(210 - 1) * 100% = 0.0978%Op amp settling time