Amplificadores Operacionais

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1 AmpOp Amplificador Operacional É um amplificador de alto ganho e acoplamento directo que utiliza um controlo de realimentação (feedback) para controlar as suas características. Contém uma saída, controlada por duas entradas ( e ). Tensão aplicada à entrada positiva (), amplificação mantendo polaridade Tensão aplicada à entrada negativa (), amplificação invertendo polaridade REPRESENTAÇÃO V p V n V o V p () () V n A v (v p v n ) V o Standard Modelo Eléctrico

2 História: 1ª Geração: desenvolvidos na década de 40 c/ válvulas; 2ª Geração: invenção do transistor bipolar (1948): melhorias de características, consumo, espaço ocupado, etc; 3ª Geração: 1963, primeiro AOP em CI, µa702 (Fairchild): baixa resistência de entrada, baixo ganho, alta sensibilidade a ruídos, etc; 1965: µa709, primeiro AOP confiável; 1968: µa741, utilizado, com o 709, até hoje; 4ª Geração: 1975, BIFET= BIPOLAR c/ JFET, LF351 (NATIONAL), CA3140 (RCA).

3 O AmpOp ideal Impedância de entrada Amplificadores Operacionais Tensão de modo comum v p v n =0 (curto circuito virtual) V p Z = o () () V n A v (v p v n ) V o Z o = 0 Ganho A v = Largura de banda Tensão de saída V o =A v (v p v n )=.0 = indeterminada

4 Aplicações Amplificadores Operacionais Em quase todos os campos da electrónica linear e não linear e ainda em aplicações digitais. Amplificadores lineares; Amplificadores não lineares; Comparadores; Filtros (passa baixo,passa alto, passa banda e stop banda); Aplicações logarítmicas (multiplicadores, divisores, raiz quadrada, exponenciadores); Multivibradores; Osciladores; Reguladores (tensão série e switching; corrente; precisão, etc...); Amostradores.

5 Amplificadores Operacionais O AmpOp real 14 pinos 8 pinos

6 O AmpOp real (cont.) V Ganho A v > 100 V p V n LM V o Largura de banda Slew rate Impedância de entrada 0,5 a 5 MHz 1V/µs > 10 8 Ω V Impedância de saída < 100Ω

7 Estudo geral do Amplificador Operacional Quando incluído num circuito o AmpOp apresenta um conjunto de elementos passivos a si associados i i v n v p i Z i i Z i v v i Z i A v Z 0 Z f v o Z p i i 0 V Admitese A v = Z i = Z 0 = 0

8 Estudo geral do Amplificador Operacional(cont.) Condição 1 O AmpOp apresenta um curto circuito virtual entre os terminais de entrada v v = 0 então, porque Z i = i = (v v )/ Z i = 0/ logo i = 0

9 Estudo geral do Amplificador Operacional(cont.) Condição 2 É válido o princípio da sobreposição Então, pelas condições anteriores, o esquema geral do AmpOp tomará a forma i v n v p i Z i Z Z p i 0 V Z f v=0 v o Onde: Z Impedância de entrada pelo terminal negativo; Z Impedância de entrada pelo terminal positivo; Z f Impedância de realimentação (feedback); Z p Impedância de polarização; i Corrente fornecida ao terminal negativo, e i Corrente fornecida ao terminal positivo.

10 Equação geral de funcionamento Por aplicação da lei das malhas de Kirckoff Determinemos o valor dos potenciais em jogo, em relação ao potencial (zero) de referência. 1ª malha (circulação da corrente na entrada negativa) i v n Z Z p i v=0 v n = Z.i Z p.i 0 V

11 Equação geral de funcionamento (cont.) 2ª malha (circulação da corrente na entrada positiva) v p i Z v p = Z.i Z p.i Z p i 0 V

12 Equação geral de funcionamento (cont.) 3ª malha (circulação da corrente na saída) i Z f v=0 v o v 0 = Z f.i Z p.i Z p i 0 V

13 Equação geral de funcionamento (cont.) Da equação da segunda malha, temse: i = v p /(Z Z p ) Substituindo na equação da primeira malha, vem: i = v n /Z Z p /Z. v p /(Z Z p ) Utilizando agora a equação da terceira malha, obtémse: v 0 = Z f. [v n /Z Z p /Z. v p /(Z Z p )] Z p. [v p /(Z Z p )]

14 Equação geral de funcionamento (cont.) Finalmente: v 0 = Z f Z Z v n (1 f Z Z ). p Z v Z p p A que chamamos: Equação Geral de Funcionamento Nota: Quer o método de dedução desta equação, quer a equação propriamente dita, podem ser utilizados para a determinação do ganho de qualquer montagem particular.

15 Circuitos típicos com AmpOp s Amplificador inversor Pela equação geral de funcionamento, notando que: R f Z =R i v n = v i Z = v p = n.a. v i R i v o Z f =R f v 0 = v 0 Z p =R p R p 0 V v 0 = R f R i Nota: A tensão de entrada v i pelo terminal negativo é amplificada pelo factor R f /R I sendo a tensãov 0 de valor simétrico a v i v i

16 Circuitos típicos com AmpOp s (cont.) Amplificador não inversor Pela equação geral de funcionamento, notando que: R f Z =R i Z =R i v n = 0 v p = v i 0 V R i v i R i v o Z f =R f v 0 = v 0 Z p =R p R p 0 V R f R i R p v = (1 ). 0 R i R v i p

17 Circuitos típicos com AmpOp s (cont.) Amplificador não inversor. Fazendo R i = 0 e R p = vem 0 V R i R f R f v 0 = (1 )v R i i v o v i Forma mais vulgar deste amplificador

18 Amplificador diferencial Pela equação geral de funcionamento, notando que: v n R i R f Z = Z = R i Z f = Z p = R f v p R i v o R v 0 = f (v p v n ) R i R f 0 V Se, no limite se tiver, R f = R i, então: v 0 = v p v n

19 Amplificador somador (adição e subtracção) Tensão de saída: v o =A v1 v 1 A v2 v 2... A v8 v 8 v 1 R 1 v 2 R 2 v 3 R 3 v 4 R 4 R n R f 0 V Onde para as entradas pelo terminal negativo se tem: A vj = R f /R j c/ j = v 5 R 5 v o E para as entradas pelo terminal positivo: v 6 R 6 v 7 v 8 R 7 R 8 R p 0 V A vj = (1R f /R x )[R c /(R c R j )] c/ j = 5 8 Onde: R c = // R m e R x = // R m={5 8,p}\j m={1 4,n} m Tratase dum somador/subtractor pesado

20 Circuitos típicos com AmpOp s (cont.) Adaptador de impedâncias (o seguidor de tensão) Pela equação geral de funcionamento, notando que: Z = Z f = 0 Z = Z p = Z = o v i v o Z o = 0 v o =v 1 Qual a utilidade? Adaptação/isolamento de impedâncias

21 Circuitos típicos com AmpOp s (cont.) Conversor tensão/corrente Pela eq. GF, notando que: Z = R s ; Z = 0; v n = 0 Z f = R L ; Z p = ; v p = v i v i v o» R L R v 0 = s R L v R i s» i o como: v 0 i 0 = R s R L R s 0 V Temse: v i i 0 = R s Notese a independência da carga

22 Circuitos típicos com AmpOp s (cont.) Conversor corrente/tensão Pela lei das malhas temse: R f i i v 0 = R f.i i 0 V v o R f é, assim, o factor de conversão

23 Circuitos típicos com AmpOp s (cont.) Integrador Pela eq. GF, notando que: C Z = R ; Z = ; v n = v i Z f = 1/(Cs); Z p = 0; v p = na v i R v o v 0 = 1 RCs.v i Aplicando a transformada inversa de Laplace temse: s=jω 0 V v 0 (t) = RC v i (t)dt

24 Amplificadores operacionais reais Impedância de entrada e impedância de saída Ganho finito e tensões de saturação Erros de polarização: tensão e desvio (offset) e correntes de polarização Taxa de inflexão Resposta em frequência Produto ganho largura de banda Distorção harmónica Ruído

25 Pinagem: / Amplificadores Operacionais e 5 balanceamento OFFSET 2 entrada inversora 3 entrada não inversora 4 alimentação negativa (3 V a 18 V) 7 alimentação positiva ( 3V a 18V) 6 Saída 8 Não conectado 6

26 Fabricantes e Códigos do 741: FAIRCHILD µa741 NATIONAL LM741 MOTOROLA MC1741 RCA CA741 TEXAS SN741 SIGNETICS SA741 SIEMENS TBA221(741)

27 Tensão de Offset de Saída Características do projeto do AOP originam um desbalanceamento interno que resulta numa tensão de OFFSET de saída, mesmo quando as entradas são aterradas. Podemos cancelar este erro ajustando o potenciômetro da seguinte figura: /351 6 Sem Offset Offset Vcc 1 5 7

28 Saturação: Tensão máxima de saída Associada a alimentação Vcc

29 Ruído nos circuitos com AOP: origem: motores elétricos, linhas de transmissão, descargas atmosféricas, radiações eletromagnéticas, etc; prevenção: melhorar a terra do circuito e equipamentos envolvidos. Ex: condensadores de 0,1µF entre o Vcc e o Vcc do AOP, o mais próximo deste. 8 4 Vcc O,1µF /351 O,1µF Vcc

30 Tipos de cápsulas do C.I. Os principais tipos de cápsulas utilizadas para envolver e proteger os chips são basicamente quatro: Cápsulas com dupla fila de pinos (DIL ou DIP Dual In Line) Cápsulas planas (Flatpack) Cápsulas metálicas TO5 (cilíndricas) Cápsulas especiais Enquanto as cápsulas TO5 são de material metálico, as restantes podem utilizar materiais plásticos ou cerâmicos.

31 Cápsula com dupla fila de pinos Para os CI de baixa potência DIL ou DIP As cápsulas de dupla fila de pinos são as mais utilizadas, podendo conter vários chips interligados. Nos integrados de encapsulamento DIL a numeração dos terminais é feita a partir do terminal 1 (identificado pela marca), vai por essa linha de terminais e volta pela outra (em sentido antihorário). Durante essa identificação dos terminais o CI deve ser sempre observado por cima.

32 Circuitos Integrados de potência Alguns integrados de potência têm uma cápsula extremamente parecida com a dos transístores de potência. Aleta metálica Algumas observações importantes a respeito das aletas de acoplamento aos dissipadores de calor: Dissipador de calor As aletas podem ser fixadas a dissipadores de alumínio em método idêntico ao utilizado nos transístores de potência. Acoplarse as aletas à própria caixa (se for metálica) que contém o circuito. As aletas podem ser soldadas a uma das faces de cobre do circuito impresso (no caso de uma dupla face). As aletas, quase sempre estão ligadas electricamente por dentro do c.i., ao pino correspondente ao negativo da alimentação (massa).

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