Amplificador Operacional

Amplificador Operacional

O Amplificador Operacional como uma fonte de tensão controlada por tensão diferencial

O 741 é um amplificador operacional multi-propósito em um dispositivo. 6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 1

Vimos que, com uma variedade de transistores, podemos construir comutadores, osciladores, amplificadores, moduladores, etc., mas eles ainda são, em geral, difíceis de usar. Embora os transistores permanecem como o tijolo fundamental da maioria dos elementos de circuitos interessantes, eles foram combinados em configurações e pacotes padrão que funcionam a um nível mais alto e oferecem maior desempenho. Isso, é claro, leva a uma grande variedade de dispositivos e, até mesmo, a novas classes de dispositivos, como a separação de circuitos digitais e analógicos. Um dos exemplos mais úteis desses dispositivos analógicos de nível mais alto é o amplificador operacional (normalmente abreviado como amplif. operacional).

O amplif. operacional é um amplificador diferencial (possui duas entradas e a tensão de saída é uma cópia amplificada da diferença entre as entradas).

entrada entrada saída entrada entrada saída configuração nula

Amplificadores operacionais são amplificadores diferenciais de alta performance. Eles possuem entradas de inversão e não-inversão e, normalmente, duas entradas de energia C.

Slide 2 Um modelo simples de amplif. operacional

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Essa simples analogia de água está próxima da dinâmica de um amplif. operacional. À medida que a diferença de força nas duas entradas se torna finita, a peça azul gira, e a saída é conectada a umas das duas tensões de alimentação. Os canais são de tal forma que a saída é rapidamente enviada ao fornecimento +/-V. Quando o equilíbrio entre as entradas é restaurado, então a saída é mais uma vez configurada em zero.

entrada nãoinversora

Um amplif. operacional é alimentado pelo desequilibro das duas entradas. Quando há uma tensão diferencial, ele satura rapidamente.

entrada inversora saída

O Amplificador Operacionalcomo uma fonte de tensão controlada por tensão diferencial

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O exemplo do amplificador operacional como um amplificador diferencial de ganho bastante alto deixa claro que a saída é levada muito rapidamente para as tensões de alimentação. Com um ganho de cerca de 1 milhão, é necessária somente uma diferença de alguns micro-volts entre as duas entradas para levar o amplificador até a saturação.

Se a entrada + (não-inversora) é maior que – (inversora), o amplificador satura para a alimentação +V.

Portanto, para os formatos de onda fornecidos, quando alimentada para a entrada inversora, a saída está fora de fase com a entrada e, quando alimentada para a entrada não-inversora, a saída está em fase com a entrada.

vermelho saída azul saída verde

Slide 4 O Amplificador Operacional Ideal

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O amplif. operacional ideal possui um ganho infinito, uma impedância de entrada infinita e uma impedância de saída arbitrariamente baixa. Nenhum desses itens é de fato verdadeiro, mas podemos usar esses ideais no projeto de circuitos, e então o processo de projeto será simples.

Um amplificador ideal claramente seria maravilhoso, com uma impedância de entrada infinita ele não iria nunca carregar nenhum circuito, e poderia alimentar qualquer carga sem ser puxado para baixo. Conforme veremos, com ganho infinito podemos usar realimentação para escolher qualquer ganho que quisermos.

Um desafio para o amplif. operacional é que A não é um bom parâmetro, ele varia de dispositivo para dispositivo, e é dependente de temperatura e condição operacional. Um bom projeto de amplif.

operacional evita dependência de A.

ent saída

O amplif. operacional ideal possui um ganho bastante alto, e uma impedância de entrada infinita.

saída

Slide 5 Um modelo de um Amplificador Operacional Ideal

A é da ordem de 500.0

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Um modelo para um amplificador operacional normalmente fornecido é dado acima. Esse é um conceito um tanto útil, a idéia básica é que as duas entradas possuem impedâncias de entrada arbitrariamente altas, e a diferença de tensão destas atua como uma fonte de tensão independente com um ganho alto.

Acontece que, com algumas regras simples (como para o transistor BJT), podemos projetar e analisar circuitos de amplif. operacional de forma muito mais eficaz. Portanto, não usaremos esse modelo que, na minha opinião, é mais útil em circuitos que em eletrônica.

Slide 6 Amplif. operacionals reais

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Agora chegamos aos amplificadores operacionais reais, eles são semelhantes ao ideal, com as limitações apresentadas acima. Além disso, você precisa estar ciente de que A depende de tudo.

ent saída saída

• Rent ~106 a 1012W

• Rsaída ~ 10 a 1000W • entrega de potência limitada

• corrente de entrada é muito próxima de zero, nAfipA. • corta a +/-Vs.

saída

Slide 7 Demonstração de A para um amplif. operacional (741)

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Uma boa forma de se olhar para um amplif. operacional é correlacionar a saída de tensão com a entrada. Já que nós nos importamos apenas com a entrada de tensão diferencial, o eixo horizontal é isso, e o eixo vertical é a tensão de saída. A inclinação da curva no centro é A (o ganho de malha aberta do amplif. operacional), e as regiões planas são onde o amplif. operacional saturou e está relatando os patamares de tensão.

Observe que, já que A é grande, a inclinação da curva é alta e, portanto, os dois eixos possuem unidades diferentes, micro-volts para a entrada e volts para a saída.

Slide 8 Demonstração de A para um amplif. operacional (741)

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Essa primeira demonstração inclui um atenuador para reduzir a escala da saída e tornar a medição mais simples. Esse atenuador é de 80dB, e, portanto, reduz a tensão por um fator de 10.0, assumindo uma impedância constante.

ent Aqui, temos uma impedância constante, portanto

Slide 9 Comparador

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Uma utilização de um amplif. operacional com um grande ganho de malha aberta é um comparador.

Se Vent é maior que a tensão configurada, a saída será no nível de alimentação positivo e, do contrário, será no negativo. O ganho é tão alto que você não poderá configurar a saída entre níveis.

entre Vs e gnd. Já que não há realimentação, o op-amp satura para +Vs quando

Vent>Vconj e para –Vs quando Vent<Vconj.

Slide 10 Realimentação Negativa

relacione as correntes: ganho resultante:

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Quase todas as aplicações de amplif. operacionals, contudo, envolvem realimentação negativa. Nesse caso, uma parte da tensão de saída é realimentada para a entrada inversora de um amplif. operacional. Agora, à medida que o amplif. operacional tem mais ganho, a saída aumenta e, como ela vai para a entrada inversora, isso reduz a saída. Muito rapidamente, o amplif. operacional encontra seu ponto operacional. Aqui está a vantagem de se ter um grande A; o dispositivo é, dessa forma, muito rígido e encontra o ponto operacional de forma extremamente rápida. Observe que o ponto operacional não depende de A, contanto que A seja grande.

O amplif. operacional é facilmente impedido de saturar através de realimentação negativa. Compartilhe a saída e conecte-a na entrada inversora. Para o amplif.

operacional ideal, a corrente através de RF é igual e oposta àquela através de Rent.

saída saída

Slide 1 Regras para amplif. operacionals com realimentação

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Aqui estão as duas regras prometidas para amplif. operacionals com realimentação . A primeira declara simplesmente que a diferença de tensão vai para zero e, assim, não há tensão de saída. Isso provém do comportamento do amplif. operacional ideal. A regra atual pode ser encarada da seguinte forma: uma corrente de entrada fornece uma tensão interna que o amplif. operacional vai corrigir ajustando a tensão de saída. Portanto essa é a mesma regra acima, mas escrita em termos de uma corrente efetiva nas entradas.

saída

Quando o op-amp encontra seu ponto operacional, 1. As duas tensões de entrada são iguais.

2. A corrente para cada entrada é zero.

saída

Slide 12 Usando Realimentação Negativa

Para realimentação negativa, o amplif. operacional ajusta sua saída de forma que a corrente/tensão de realimentação seja aquela necessária para

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Existem dois meios simples de usar realimentação negativa. A realimentação é claro, deve vir sempre com a entrada inversora, mas a fonte também pode ir para a entrada inversora (tendo, assim, um amplificador inversor), ou a fonte pode ir para a entrada não-inversora e resultar em um amplificador não-inversor. A força da realimentação (quando da saída é realimentada) irá determinar o ganho do dispositivo.

rede de realimenta ção rede de realimenta ção

Slide 13 Amplificador de ganho de unitario ou buffer

Lembre-se de que a impedância de entrada de um amplif. operacional é bastante alta, então o buffer fornece uma transformação de impedância e protege Vent da carga.

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Aqui, o amplificador é conduzido na entrada não-inversora com a tensão de saída diretamente alimentada para a entrada inversora. O amplif. operacional irá amplificar até que as tensões nas entradas inversora e não-inversora sejam as mesmas. Isso, é claro, pode ocorrer apenas se a saída for igual à entrada. Assim, o buffer tem um ganho unitário (a saída de tensão é a mesma que a entrada).

Obviamente, a impedância de entrada do amplif. operacional é bastante alta, e a impedância de saída é baixa, então há uma transformação de impedância que pode resultar em ganho de potência. Em geral, quando ambas as entradas são usadas, você deve tentar empregar a regra que diz que as tensões devem ser iguais. Aqui, não há nenhuma forma de usar a regra que diz que as correntes são zero (embora elas sejam na essência, já que a impedância de entrada é tão alta).

Para V+ -V- ser igual a zero, e ntão Vsaída = Vent Portanto, o ganho é de 1.

Slide 14 Amplificador inversor

Use a regra que diz que a corrente I- é igual a zero.

Para evitar erros de configuração, coloque um R = R1||R2 para gnd da entrada não-inversora.

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O amplificador inversor tem a entrada não-inversora ligada à terra e soma as entradas da entrada e da saída na entrada inversora. A forma de se analisar isso é perceber que, quando 1 e 12 são iguais e opostas, não há fluxo de corrente para a entrada do amplif. operacional, e as duas tensões de entrada serão iguais. Em outras palavras, tanto a trajetória de entrada quando a de realimentação estão alimentando a mesma resistência interna no amplif. operacional. Portanto, se as duas correntes são iguais mas opostas em sinal, então as tensões que elas induzem através desse resistor interno também serão iguais e opostas – portanto, a tensão geral no terminal inversor é zero.

As correntes são dadas acima, e configurá-las como iguais e opostas resulta diretamente no ganho.

Na prática, há uma pequena corrente de entrada na entrada inversora, então é normal conectar um resistor à terra a partir da entrada não-inversora para fornecer a mesma impedância efetiva. Esse é um efeito pequeno, porém observável.

Slide 15 Demonstração de um amplificador inversor

6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 15

Nessa demonstração, mostramos as tensões de entrada vs saída para um amplificador inversor. Diminuindo-se o resistor de realimentação variável, o ganho pode ficar bastante pequeno, e o dispositivo se torna essencialmente um buffer inversor.

Slide 16 Amplificador não-inversor

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O amplificador não-inversor envia a entrada para o terminal não-inversor. A realimentação deve, obviamente, ir para a entrada inversora. O ganho é ajustado por amostragem da tensão de saída através de um divisor de tensão. Ajustando-se a razão de R1 para R2, pode-se variar a intensidade da realimentação e, dessa forma, mudar o ganho.

Aqui, use a regra que diz que as tensões de entrada devem ser as mesmas. Mais uma vez, a utilização da regra fornece imediatamente o ganho.

Nesse caso, a fim de evitar desvio em função de uma não-correspondência de corrente de entrada, é comum colocar um resistor em série em linha com a entrada não-inversora e ajustá-lo para a impedância efetiva na entrada inversora.

Slide 17 Demonstração de um amplificador não-inversor

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Uma demonstração semelhante às anteriores, mas agora para a configuração não-inversora. Observe que, no caso do amplificador inversor, como o resistor de realimentação foi variado, o ganho poderia ser muito inferior a 1; aqui, o ganho pode apenas se aproximar de 1.

Slide 18 Amplificador não-inversor

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Slide 19 Amplificador não-inversor (cont.)

6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 19 portanto

Conseqüentemente então

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