Amplificadores operacionais

Amplificadores operacionais

AMPLIFICADORES OPERACIONAIS

Um amplificador operacional (AMPOP) é um amplificador multiestágio com entradas diferenciais cujas características se aproximam das de um amplificador ideal, que são:

  • resistência de entrada infinita, ou seja, o AMPOP não consome corrente do sinal de entrada;

  • resistência de saída nula, ou seja, o sinal de saída é entregue integralmente a carga;

  • ganho de tensão infinito;

  • resposta em freqüência infinita;

  • insensibilidade à temperatura.

Dentre as inúmeras aplicações dos AMPOPs, destacam-se: instrumentação e sistemas eletrônicos de controle industrial; eletromedicina; equipamentos de áudio e sistemas de aquisição de dados. A figura abaixo representa um AMPOP, sendo que os 5 terminais apresentados são comuns a todos eles.

: entrada inversora

: entrada não-inversora

: terminal de alimentação positiva

: terminal de alimentação negativa

: saída

  1. COMPARADOR

Utiliza o AMPOP sem realimentação. O valor da tensão de saída é dado por:

Como o ganho tende ao infinito, a saída do comparador é a tensão de saturação do próprio amplificador.

Para o comparador inversor

Para o comparador não-inversor

  1. OSCILADOR

Utiliza o AMPOP com realimentação positiva, ou seja, uma conexão entre a saída do amplificador e sua entrada não-inversora.

A saída do amplificador é uma onda quadrada com período dado por:

  1. AMPLIFICADOR

Utiliza o AMPOP com realimentação negativa. A principal conseqüência desta configuração é a possibilidade de estabelecer um curto-circuito virtual entre os dois terminais de entrada do amplificador. A natureza virtual deste curto-circuito deve-se a existência de uma igualdade entre as tensões, mesmo sem a ligação física dos terminais.

A figura a seguir apresenta os circuitos típicos onde ocorre o curto-circuito virtual.

No circuito (a), a relação entre as tensões é .

No caso específico em que a entrada não-inversora está conectada à terra do circuito (b), o curto-circuito virtual recebe o nome de terra virtual e tem-se .

  • Amplificador inversor

Utilizando o conceito de curto-circuito virtual entre as entradas do amplificador, pode-se dizer que a corrente entre os terminais de entrada é nula, ou seja, . Desta forma,

Portanto, o ganho depende apenas dos resistores e .

  • Amplificador não-inversor

Usando o curto-circuito virtual temos .

Como a impedância de entrada do amplificador é muito alta, podemos considerar que ocorre o divisor de tensão:

Portanto, o ganho do amplificador não-inversor é sempre maior que 1 e depende somente dos resistores e . No caso particular em que e , tem-se o circuito seguidor de tensão ou buffer.

O buffer é usado, principalmente, para isolar estágios de um circuito, não carregando a fonte . Isso ocorre devido à alta impedância de entrada do amplificador e a baixa impedância de saída. No entanto, a máxima corrente fornecida à carga é a própria corrente de saída do amplificador.

  • Amplificador somador inversor

Aplicando a lei das correntes de Kirchoff na entrada inversora, tem-se que:

Se .

Se .

Resistor de equalização: para minimizar os efeitos das tensões e correntes de offset, podemos utilizar um resistor de equalização na entrada não-inversora. O resistor de equalização é dado por:

  • Amplificador diferencial ou subtrator

LCK em :

LCK em :

como ,

  • Amplificador de instrumentação

É um amplificador com características especiais:

- Resistência de entrada extremamente alta;

- Resistência de saída menor que a dos AMPOPs comuns;

- CMRR superior a 100dB;

- Ganho de tensão em malha aberta muito alto;

- Tensão de offset muito baixa;

- Deriva de temperatura muito baixa.

Utilizando a LCK e o conceito do curto-circuito virtual, tem-se que:

No 1º estágio:

No 2º estágio:

Portanto, podemos controlar o ganho do amplificador por meio da alteração do valor de .

  • Amplificador de corrente alternada

Usados para bloquear a componente contínua e amplificar apenas a componente alternada.

Para tanto, deve-se utilizar capacitores e que interfiram o mínimo possível na passagem do sinal CA. Como regra prática, utiliza-se um valor de vezes menor que .

O mesmo cálculo pode ser realizado para a saída do circuito.

Lembrando que .

Para o amplificador CA não-inversor, devemos usar o resistor para garantir o retorno da corrente para terra e, consequentemente, a polarização da entrada não-inversora. Este retorno é fundamental para o funcionamento correto do circuito.

No entanto, a impedância de entrada é reduzida para aproximadamente , já que . Na prática, utiliza-se na faixa de .

  • Amplificador inversor generalizado

  • Diferenciador

Amplificador cuja resposta na saída é proporcional à taxa de variação na entrada.

Aplicando a LCK:

Para uma entrada senoidal:

Portanto, o ganho depende da freqüência. Sendo assim, para altas freqüências o ganho tende ao infinito gerando instabilidade, sensibilidade a ruídos, saturação rápida com o aumento da freqüência.

Diferenciador prático

Para alta freqüência, , o circuito tende a ser um amplificador inversor.

Para baixas freqüências, o circuito tende a funcionar como um diferenciador.

Onde é a freqüência de corte da rede de atraso:

Na prática, a constante de tempo da rede de atraso é dada por , ou seja, pelo menos 10 vezes menor que o período do sinal aplicado na entrada.

  • Integrador

Aplicando a LCK em :

Para uma entrada senoidal:

Para baixas freqüências o ganho tende ao infinito, causando saturação.

Se houver tensão inicial no capacitor, seu valor será somado ao resultado de . Pode-se utilizar uma chave em paralelo com o capacitor para descarregá-lo antes da integração.

Integrador prático

Para uma entrada senoidal:

Resistor de equalização obtido para polarização CC:

Para alta freqüência, , o circuito tende a ser um integrador.

Para baixas freqüências, o circuito tende a funcionar como um amplificador inversor.

Onde é a freqüência de corte da rede de atraso:

Na prática: .

O ganho aproximadamente 10 proporciona ótima estabilidade ao circuito.

Integrador somador

Integrador diferencial

  1. INFORMAÇÕS COMPLEMENTARES SOBRE AMPOPS

  • Alimentação

Normalmente, utiliza-se alimentação simétrica (circuito A). A alimentação bipolar pode ser obtida a partir de uma fonte unipolar (circuito B). Ainda, existem alguns AMPOPs fabricados para trabalhar com alimentação unipolar (circuito C).

  • Proteção contra ruído da fonte de alimentação

Capacitores podem ser utilizados para prevenir o mau funcionamento do ampop devido a ruídos e oscilações da fonte de alimentação, geralmente de alta freqüência.

Os capacitores devem ser colocados o mais próximo possível dos terminais do ampop para minimizar o efeito “antena”.

  • Proteção contra polarização reversa

Redução da tensão de alimentação.

Se as entradas de alimentação forem ligadas invertidas, ocorre o curto da fonte.

Pode-se alimentar o AMPOP sem a preocupação com a polaridade da fonte. No entanto, ocorre a redução na alimentação.

  • Proteção das entradas e saída de sinal

  • Reforço de corrente

  • Desvio de tensão

O AMPOP apresenta tensão de offset na saída mesmo com suas entradas aterradas. Em situações onde a precisão é importante ou o ganho é elevado,este desvio de tensão deve ser minimizado (“eliminado”). Para tanto, os fabricantes disponibilizam pinos de balanceamento.

Ex.: No 741

Nos AMPOPs que não tem estes terminais, pode-se fazer o balanceamento externo.

  • Parâmetros dos AMPOPs

Razão de rejeição de modo comum (Common mode rejection ratio - CMRR)

Indica a capacidade do AMPOP em atenuar ruídos presentes em ambas as entradas.

Razão de rejeição da fonte de alimentação (Supply voltage rejection ratio – PSRR)

Relaciona a variação entre entrada e saída do ampop devido à variação da tensão de alimentação. Para o 741, essa variação é de 10uV/V, ou seja, para cada volt de variação na alimentação, a saída varia 10uV sem ocorrer variação na entrada.

Obs.: Se for usada uma fonte regulada, essa variação praticamente deixa de existir.

Taxa de variação (Slew rate – SR)

Indica qual a capacidade de variação na tensão de saída com relação ao tempo.

Para o 741, SR=0,5V/us

Para o 318, SR=70V/us

Tempo de subida (Rise time - tr)

Tempo necessário para que a saída do ampop passe de 10% a 90% do seu valor final. Este valor é limitado pelo SR do ampop (para o 741, tr=0,3us).

Tempo de acomodação – ts

Tempo transcorrido entre a aplicação de um sinal tipo degrau na entrada do ampop e o instante em que a saída estabilize dentro de uma faixa delimitada em torno do valor final.

Sobrepassagem (Overshoot – Ov)

Percentual de tensão que ultrapassou o limite imposto pelo valor final.

Ruído de tensão de entrada

É a fonte de ruído, referente à entrada, que modela o ruído gerado internamente pelo ampop.

Ruído de corrente de entrada (In)

É a fonte de corrente de ruído, referente à entrada, que modela o ruído de corrente gerada internamente no ampop.

  • Grupos de aplicações

Para facilitar a seleção dos ampop, eles podem ser divididos em grupos, dependendo da aplicação (segundo a Burr-Brown).

Baixa deriva (Low drift)

Utilizado em aplicações com grande variação de temperatura por ter coeficiente de temperatura reduzido.

Baixa corrente de polarização (Low bias current)

Ampop com entrada FET.

Baixo ruído (Low noise)

Para aplicações com sinais de baixa amplitude.

Banda larga (Wideband) ou Rápidos (Fast)

Ampos com largura de banda maior que 5MHz, alto SR e pequeno ts.

Alta tensão (High voltage)

Ampops capazes de fornecer altas tensões de saída (±10 a ±145V).

Alta capacidade de corrente (High current)

Ampops com grande capacidade de fornecer corrente na saída (±1A a ±10A).

Ganho unitário (Unity-gain buffer)

Ampops ligados internamente como buffers.

Uso geral (General purpose)

Ampops sem otimizações, normalmente populares e baratos (ex.: 741).

Baixa potência (Low power)

Ampops de baixo consumo.

Especiais (Special purpose)

Ampops com características não convencionais, voltados para aplicações específicas.

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