Amplificador operacional - 2

Amplificador operacional - 2

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A. D. de Física Introdução à Electrónica - Guia de Laboratório

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O Amplificador Operacional (Ampop): 1ª Parte - Montagens inversora e não-inversora

Neste trabalho pretende-se introduzir o estudo das propriedades básicas dos amplificadores operacionais (op-amps ou ampops) bem como estudar duas das suas topologias mais importantes de amplificação, nomeadamente as montagens não-inversora e inversora.

Um amplificador operacional1 (abreviadamente ampop ou opamp) é basicamente um dispositivo amplificador de tensão, caracterizado por um elevado ganho em tensão, impedância de entrada elevada, impedância de saída baixa e elevada largura de banda. Estes dispositivos são normalmente dotados de uma malha de realimentação para controlo do ganho e são usualmente associados a outros semelhantes, em estruturas de múltiplos andares e com funções que transcendem a simples amplificação.

O ampop é um dispositivo de dois portos, i.e., possui dois terminais de entrada e um terminal de saída que é referenciado à massa. O seu símbolo eléctrico, que se apresenta na Figura 1, é um triângulo que aponta no sentido do sinal. Das duas entradas, uma, assinalada com o sinal (-) é chamada de entrada inversora e a outra, a que corresponde o sinal (+) é chamada entrada não-inversora. A saída faz-se no terminal de saída que se encontra referenciado à massa. O amplificador é normalmente alimentado com tensões simétricas, tipicamente +12 V e –12 V ou +15 V e –15 V, que são aplicadas aos respectivos terminais de alimentação V- e V+. Note-se que nos esquemas eléctricos freqüentemente estes terminais são omitidos, representando-se apenas as entradas e a saída.

Em alguns casos podem estar disponíveis terminais adicionais, normalmente 3, que permitem compensar deficiências internas do amplificador, como a tensão de desvio (offset) ou controlar a freqüência de resposta.

Alimentação positiva

Alimentação negativa

Código do componente(PIN)

Entrada inversora

Entrada não inversora

Saída

Figura 1: Símbolo eléctrico do amplificador operacional integrado. 1 Assim chamado porque foram inicialmente utilizados para realizar operações matemáticas.

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O amplificador operacional é um amplificador diferencial, i.e., amplifica a diferença entre as tensões presentes as suas entradas. Se V+ e V- forem as tensões aplicadas às entradas não inversora e inversora respectivamente e Vo for a tensão de saída, então em que A é o ganho do amplificador, dito em malha aberta1. Este ganho é normalmente muito elevado, sendo da ordem de 105 ou superior. A tensão máxima de saída é igual ou ligeiramente inferior à tensão de alimentação, por exemplo, ±15 V, o que significa que em malha aberta, uma diferença de tensão da ordem de 100mV entre as duas entradas é suficiente para elevar a saída a este valor, saturando o amplificador. Na Figura 2 representa-se esta "característica de transferência" de um amplificador operacional, isto é, o traçado da tensão de saída em função da tensão de entrada.

Um amplificador com estas características não têm normalmente qualquer tipo de utilidade, uma vez que sinais de tão baixa amplitude são extremamente difíceis de tratar devido á presença de ruído e porque normalmente não são necessários ganhos tão elevados. No entanto, estes factores podem ser controlados inserindo o ampop numa malha de realimentação.

Figura 2: Função de transferência de um amplificador operacional em malha aberta (sem realimentação)

Os amplificadores operacionais, tais como os outros componentes, são identificados inequivocamente por um código alfanumérico (part identification number – PIN, na designação anglo-saxónica) colocado no interior do triangulo, que identifica o fabricante do circuito e o modelo particular. No caso da figura, o ampop representado, genericamente designado por 741, é um dos mais populares e profícuos modelos jamais fabricados e que será utilizado neste trabalho.

A estrutura interna de um amplificador operacional é muito complexa, sendo constituído por dezenas de transistores e resistências contidos numa muito pequena pastilha de Silício (chip) com cerca de 1 mm2. Este chip é depois encapsulado numa caixa metálica, de cerâmica ou de plástico, dotada de contactos metálicos que facilitam a sua montagem nos circuito.

Existem diferentes tipos de caixas de circuitos integrados, algumas das quais se encontram representadas na Figura 3. Olhando para as caixas plásticas de topo, os pontos identificam o pino

1 Por oposição ao ganho em malha fechada ou em realimentação.

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1 e os restantes são numerados no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio. Quanto ás caixas metálicas, a chapa identifica o pino 8, sendo os restantes pinos numerados da mesma maneira.

Figura 3: Alguns tipos de caixas de circuitos integrados: (a) TO-5 metálica; (b) e (c) DIP (dual in-line package) de 14 e 8 pinos; (d) flatpack.

Quanto ás ligações internas, elas dependem do fabricante, do modelo e da caixa, sendo indicadas nas respectivas folhas de características (data sheets). Na Figura 4 representa-se o diagrama de ligações internas do ampop 741 com encapsulamento DIL-8.

Figura 4: Ligações internas do amplificador operacional 741 com encapsulamento DIL-8. As iniciais NC significam não ligado (not connected)

A análise e síntese de circuitos com ampops é habitualmente efectuada, pelo menos em primeira aproximação, considerando o amplificador operacional como ideal. As características de um amplificador operacional ideal são as seguintes:

Impedância de entradaRi = ¥ Impedância de saídaRo = 0

Ganho de tensãoAv = ¥

Largura de banda¥ Tempo de resposta0 segundos

Tensão de saída nula quando v+=v-, independentemente do valor de Vi Características independentes da temperatura

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Como se viu anteriormente, o ampop em malha aberta é de pouca ou nenhuma utilidade, sendo normalmente utilizado inserido numa malha de realimentação. Ir-se-à agora estudar duas configurações amplificadoras que utilizam ampops inseridos em malhas de realimentação.

Figura 5: Amplificador não inversor.

Considere-se o circuito da Figura 5. A malha de realimentação é constituída pela série de resistências R1 e R2. A análise do circuito faz-se seguindo sempre um tipo de raciocínio semelhante a este:

1 - A tensão na entrada não inversora V+ tem que ser igual à tensão na entrada inversora V-, caso contrário o amplificador saturaria rapidamente. Isto mesmo é assegurado pela malha de realimentação. Assim:

2 - Como a impedância de entrada do ampop (ideal) é infinita, a corrente entra na entrada inversora é nula e pode-se dizer que

R out RV V R R= +

3- Igualando as expressões (2) e (3) e resolvendo em ordem ao ganho A vem

As tensões de entrada (Vin) e de saída (Vout) estão referenciadas ao comum/terra. Não foram representadas as alimentações (V+ = + 15V, V- = - 15V). As tensões Vout e Vin estão em fase, sendo o ganho determinado pela escolha de R1 e R2. A resistência de entrada é muito elevada fora da saturação.

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No caso da montagem da Figura 6, a análise faz-se utilizando os mesmos pressupostos que no caso anterior, que se traduzem pelo facto da entrada não inversora estar, para efeitos do sinal de entrada, ligada à massa, constituindo assim o que é habitual designar-se por massa virtual.

Figura 6: Montagem inversora Com base nestes considerandos é elementar mostrar que o ganho do circuito é dado por:

21outin

Tal como no caso anterior, Vout e Vin estão referidas ao comum/terra e não foram representadas as alimentações. As tensões Vout e Vin têm polaridade inversa, sendo o ganho variado por escolha de R1 e R2. A resistência de entrada é igual a R1, fora da saturação.

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