03 Amplificadores Operacionais

03 Amplificadores Operacionais

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5. Amplificadores

A maioria dos sinais elétricos com os quais a eletrônica se dedica, como por exemplo, aqueles vindo de sensores, antenas e outros, são sinais de pequena intensidade

(da ordem de µV até mV) devendo ser amplificada por um circuito amplificador a fim de se tornar útil para alguma aplicação. Um amplificador normal produz um sinal em sua saída que é uma versão ampliada do sinal de entrada. Isso requer que o circuito amplifique todas as frequências contidas no sinal de entrada com a mesma magnitude, ou entradasaida AVtV =)( , onde A é o fator de amplificação ou o ganho de tensão. Ele deve ser independente de t e de Ventrada. Quando se fala de amplificadores são pelo menos quatro os parâmetros importantes que definem, por sua vez, a aplicação que será dada ao circuito: ganho, largura da banda, impedância de entrada e impedância de saída. O ganho de tensão do circuito e sua largura de banda estão representados no diagrama abaixo, onde finf e fsup são os limites inferior e superior de frequências em que o amplificador mantém suas características. A identificação dos limites de freqüência inferior e superior é determinada pela redução no ganho do amplificador, em geral quando a redução for de 3 dB.

n h o

Frequênciafinf fsup Fig. 15 – Diagrama de ganho em função da freqüência de um circuito amplificador.

O conhecimento das impedâncias de entrada e saída também é significativo para a determinação do correto funcionamento de um circuito amplificador. Pode-se pensar que o amplificador funcione como uma fonte de tensão com uma determinada resistência interna, a impedância de saída (Zsai). A Zsai vai determinar a carga que pode ser ligado a ele a fim de que o amplificador mantenha suas características. O mesmo vale para a impedância de entrada (Zent). A Zent indica a carga que o amplificador representa para o estágio anterior, ou seja, a fonte de sinal.

5.1 Amplificadores Operacionais Um amplificador operacional é um amplificador com entrada diferencial e saída amplificada em um único terminal. Seu símbolo, usado em diagramas elétricos está na Fig. 16.

Fig. 16 – Símbolo do Amplificador Operacional.

Na fig. 16 os terminais (-) e (+) são as entradas inversora e não inversora, respectivamente. O amplificador operacional tem duas conexões para fonte de alimentação, uma positiva e outra negativa com relação a alguma referência.

O termo “amplificador operacional” descreve um circuito importante que pode formar a base de amplificadores de áudio e vídeo, filtros, amplificadores de instrumentação, comparadores, osciladores além de muitos outros circuitos analógicos. O amplificador operacional é comumente chamado de amp-op. Muito embora o amp-op seja um circuito formado a partir de componentes discretos, eles são sempre encontrados encapsulados num chamado Circuito Integrado (CI). O ganho dos amp-op é muito alto da ordem de 100.0 × ou mais (> 100 dB). A tensão de saída é a diferença das tensões aplicadas à entrada (V+ - V-) multiplicada pelo ganho e é isso que significa entrada diferencial. Se a entrada não inversora tiver um potencial mais alto que a inversora a saída será positiva e vice-versa. Como o ganho do amp-op é muito alto as tensões na entrada diferencial devem ser muito baixas, pois a tensão na saída é limitada pela tensão das fontes de alimentação.

entrada saída alimentação alimentação

O amp-op deve ter uma realimentação a fim de que ele execute alguma função útil. A maioria das configurações usa uma realimentação negativa para controlar o ganho e gerar uma operação linear. Realimentação negativa significa conectar, através de componentes discretos, parte do sinal da saída na entrada inversora. Circuitos não lineares, tais como comparadores e osciladores, usam uma realimentação positiva conectando a saída à entrada não inversora através de componentes como resistores e/ou capacitores.

No símbolo da Fig. 16 estão previstos terminais para a ligação da alimentação do

Operacional. Na maioria das vezes usa-se uma fonte de tensão simétrica para a alimentação. Isso significa que para o funcionamento do circuito deve ser ligada a ele uma fonte positiva e outra negativa com relação a um potencial de referência, ambas de mesmo módulo.

O interessante dos amp-op é que não é necessário familiarizar-se com os detalhes do circuito interno. Contudo, um conhecimento mínimo em termos das propriedades de entrada e saída auxilia em muito a compreensão dos circuitos montados utilizando os amp-op. As características do de um amplificador ideal são:

• Impedância de entrada Zent: ∞

• Impedância de saída Zsai: 0

• Ganho de tensão Av: ∞ • Largura da banda LB: ∞

• Tempo de resposta tR: 0

• Tensão de saída nula quando V+ = V- , independente dos valores de V+ e V-

• Características independentes da temperatura.

Algumas considerações sobre os amplificadores operacionais reais

• Ganho de tensão. Este parâmetro tem seus valores reais que vão desde alguns poucos milhares até cerca de cem milhões em amplificadores operacionais sofisticados. Normalmente, A é o ganho de tensão diferencial em corrente contínua.

• Tensão de "offset" - A saída de um amplificador operacional ideal é nula quando suas entradas estão em curto circuito ou V+ - V- = 0. Nos amplificadores reais, devido principalmente a um casamento imperfeito dos dispositivos de entrada, a saída do amplificador operacional pode ser diferente de zero quando ambas as entradas estão no potencial zero. Significa dizer que há uma tensão C.C. equivalente, na entrada, chamada de tensão de "offset". O valor da tensão de "offset" nos amplificadores comerciais está situado na faixa de 1 a 100 mV. Os componentes comerciais são normalmente dotados de entradas para ajuste da tensão de "offset".

• Largura da Banda - Nos amplificadores reais, esta freqüência pode estar na faixa de 1 kHz até 100 MHz. Muito importante nos amplificadores operacionais é a faixa de passagem a plena potência. Essa faixa de freqüências é definida como aquela em que uma onda senoidal pode ser obtida na saída sem distorção apreciável. Geralmente a faixa de passagem à plena potência é especificada a uma dada saída, tipicamente 10 V. De modo geral o ganho de um circuito de um circuito que utiliza um Amp Op é reduzido conforme a figura abaixo. Observe na figura que quanto maior o ganho requerido, menor é a faixa de frequências em que o Amp Op mantém suas características de ganho.

Fig. 18 – Máximo ganho de tensão de um Amplificador Operacional em função da freqüência do sinal de entrada.

• Impedância de entrada - nos amplificadores operacionais reais ela não é infinita, mas da ordem de 108 Ω em operacionais monolíticos, da ordem de 1012

Ω em operacionais com entradas dotadas de FET

• Impedância de saída - não é nula, nos operacionais mais comuns os valores podem ir de alguns ohms a cerca de 3 kΩ.

Ainda que se vá trabalhar com Amp Op reais, as características ideais do Amp

OP nos permitem usar duas regras a fim de entender o funcionamento de circuitos baseados em Operacionais, as chamadas regras de ouro: 1. A saída tenta fazer tudo o que é necessário para fazer a diferença de tensão entre as entradas zero. [em um circuito com realimentação, a saída “olha” os terminais de entrada e varia a tensão nos terminais de saída modo que a rede externa de realimentação traga a entrada diferencial para zero, se possível.] 2. A entrada não exige nenhuma corrente [Idealização a partir do fato de que a Zent de um Operacional ideal é infinita.]

A seguir serão descritos alguns circuitos típicos com Amplificadores

Operacionais. Circuitos lineares, como os amplificadores inversor, não inversor e o conversor tensão/corrente além de circuitos não lineares como Integradores e diferenciadores.

5.2 Circuitos com Amplificadores Operacionais

Quando se avalia a resposta de um circuito eletrônico como os descritos a seguir, deseja-se determinar como será a tensão de saída em função da tensão de entrada e é isso que será feito.

Note que nos circuitos descritos as fontes de alimentação não foram discriminadas a fim de não “poluir” o diagrama. No entanto, para que qualquer circuito eletrônico funcione corretamente ele deve ser alimentado.

• Amplificador não-inversor - Na montagem não inversora, Fig. 19, a malha de realimentação é constituída pelas resistências R1 e R2.

Fig. 19 – Amplificador não inversor Vent Vsat

Considerando que o operacional amplifica a diferença de potencial entre as entradas V+ e V- e, levando em conta a regra de ouro no 1, teremos

e1RVV=−

Por outro lado, VR1 é o potencial do divisor de tensões formado por R2 e R1, ou

saiR V R

saient V R

−=, finalmente entsai VR RV

ou seja, o ganho do amplificador não inversor é

Nessa análise estamos assumindo que o operacional não está saturado, ou seja, que o produto A.Vent < tensão de alimentação. Nesse circuito a impedância de entrada é da mesma ordem da impedância do amplificador operacional, ou seja, ~ 1010 Ω. Se for necessário reduzir-se a impedância de entrada então pode-se ligar um resistor em paralelo com a entrada, ou de V+ para o trerra.

• Amplificador inversor – A configuração e está mostrada na Fig. 20

Fig 20 – Diagrama do amplificador inversor.

Analisando o diagrama verificamos que V+ = 0 e pela regra de ouro no 1,

Pela regra de ouro no 2 a corrente entrando em V- = 0, que juntando com a regra dos nós de Kirchoff dará

021==+VRRIIIou 21RRII−=, mas

Vent Vsai

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