Aula 15 Amplificadores Operacionais (pág. 453 a 459)

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1 Aula 15 Amplificadores Operacionais (pág. 453 a 459) Prof. Dr. Aparecido Nicolett PUC-SP

2 Slide 1 Considerações gerais: Amplificadores Operacionais são amplificadores diferencias com ganho muito alto, impedância de entrada alta e impedância de saída baixa. Suas principais aplicações, como o próprio nome diz, são realizar operações matemáticas (integração, diferenciação, soma, multiplicação/amplificação, etc.), quando operando na região linear (região ativa). Na região de saturação, este dispositivo pode ser utilizado como comparador, gerador de onda quadrada, dente de serra, filtros, osciladores, etc. Possui três modos de entrada: entrada inversora, entrada não inversora e entrada diferencial, quando as entradas inversora e não inversora são utilizadas simultaneamente.

3 Slide 2 A figura 13.1 mostra um amp-op básico, com duas entradas e uma saída. Figura 13.1: Amp-op básico.

4 Slide 3 Entrada com Terminação Única A operação de entrada com terminação única tem origem, quando o sinal de entrada é conectado a uma entrada do amp-op com a outra entrada conectada ao terra (GND). Sinal de entrada injetado na entrada não-inversora. Sinal de saída, após realização da operação, possuí mesma fase. Sinal de saída com defasagem de 180 o. Figura 13.2: Operação com terminação única.

5 Slide 4 Entrada com Terminação Dupla (Diferencial) Sinal de entrada aplicado a ambas as entradas, o que é chamado de operação com terminação dupla. A fonte Vd é aplicada nas duas entradas. Duas fontes, V1 e V2, são aplicadas nas entradas do amp-op. Vd = V1 V2 Figura 13.3: Operação com terminação dupla.

6 Slide 5 Saída com Terminação Dupla Um sinal de entrada aplicado a qualquer entrada, resultará em saídas para ambos os terminais de saída, com polaridades opostas. + - Figura 12.35: Circuito amplificador diferencial básico.

7 Slide 6 Saídas amplificadas de polaridades opostas. Figura 13.5: Saída com terminação dupla e entrada com terminação única.

8 Slide 7 Saída única medida entre os terminais de saída (não em relação ao GND). Este sinal de diferença de saída é Vo1 Vo2. Figura 13.6: Saída com terminação dupla. A diferença de saída é duas vezes maior que Vo1 ou Vo2, pois são polaridades opostas.

9 Slide 8 Figura 13.7: Operação com entrada e saída diferenciais.

10 Slide 9 Operação Modo-Comum Vd = 0 Como as entradas recebem o mesmo sinal, as saídas são amplificadas de mameira iguais, resultando em Vo 0 V. Figura 13.8: Operação modo-comum.

11 Slide 10 Rejeição de Modo-Comum (CMRR Common-Mode Rejection Ratio) Uma importante característica de uma conexão diferencial é que os sinais que são opostos nas entradas são altamente amplificados. Os sinais comuns às entradas são apenas pouco amplificados. Como o ruído (qualquer sinal de entrada não desejado) geralmente é comum a ambas as entradas, a conexão diferencial tende a atenuar essa entrada indesejada. Operação Diferencial e Modo-Comum Entradas Diferenciais: Quando entradas separadas são aplicadas ao amp-op, o sinal de diferença resultante é: V d = V V (13.1) i1 i2

12 Slide 11 Entradas Comuns: Quando os sinais de entrada são iguais, o sinal comum às duas entradas pode ser definido como a média aritmética entre os dois sinais. 1 V c = ( Vi1 + Vi2 ) (13.2) 2 Tensão de saída: V = A V + A V (13.3) o d d c c Vd = tensão de diferença dada pela eq. (13.1) Vc = tensão comum dada pela eq. (13.2) Ad = ganho diferencial do amplificador Ac = ganho de modo-comum do amplificador

13 Slide 12 a) Para medir Ad Vi1 = - Vi2 = Vs = 0,5 V (13.1) Vd = (Vi1 Vi2) = (0,5 V (-0,5 V)) = 1 V (13.2) Vc = ½ (Vi1 + Vi2) = ½ [0,5 V + (- 0,5 V)] = 0 V (13.3) Vo = Ad.Vd + Ac.Vc = = Ad b) Para medir Ac Vi1 = Vi2 = Vs = 1V (13.1) Vd = (Vi1 Vi2) = (1,0 V (1,0 V)) = 0 V (13.2) Vc = ½ (Vi1 + Vi2) = ½ [1,0 V + (1,0)] = 1 V (13.3) Vo = Ad.Vd + Ac.Vc = = Ac

14 Slide 13 Razão de rejeição de Modo-Comum A CMRR = d (13.4) A c CMRR(log) A = 20log d 10 (db) (13.5) A c Exemplo 13.1: Calcule CMRR para os circutos de medidas abaixo. A V V 8 = 1m o d = = d 8000

15 Slide 14 A Vo 12m = Vc 1m c = = 12 CMRR A 8000 = d = = 666,7 A 12 (13.4) c CMRR 8000 (log) = 20log10 = 56,48(dB) (13.5) 12m

16 Slide 15 Amplificadores Básicos A entrada positiva (+) produz uma saída que está em fase com o sinal aplicado, enquanto a entrada negativa (-) resulta numa saída com polaridade oposta. Figura 13.10: Amp-op básico

17 Slide 16 Ri: Resistência de entrada (normalmente muito alta) Ro: Resistência de saída (normalmente muito baixa) Ad: Ganho diferencial do amplificador Figure 13.11: Equivalente ca do circuito amp-op: (a) real; (b) ideal.

18 Slide 17 Amp-op Básico Sinal de entrada V1 aplicado exclusivamente na entrada inversora. A saída Vo será oposta em fase ao sinal de V1. Figura 13.12: Conexão amp-op básica.

19 Slide 18 Figura { Circuito ca equivalente do amp-op. Figura 13.13

20 Slide 19 Figura Figura 13.13

21 Slide 20 Utilizando a sobreposição é possível calcular a tensão Vi em termos dos componentes por causa de cada uma das fontes. Figura 13.13c Para a fonte V1 somente (-Av.Vi fixado em zero): V1 Vi 1 = Rf R1+ Rf

22 Slide 21 Figura 13.13c Para a fonte -Av.Vi somente (V1 fixado em zero): ( Av.Vi) Vi 2 = R1 R1+ Rf

23 Slide 22 A tensão total Vi é então: Rf R1 Vi = Vi1 + Vi2 = V1 + ( Av.Vi) R1+ Rf R1+ Rf Vi = Rf V1 Rf + (1 + Av)R1 (13.7) Se Av >> 1 e Av.R1 >> Rf, como normalmente ocorre, tem-se: Vi = Rf V1 AvR1 Vo Vi = Av.Vi Vi = Av.Rf.V1 = Vi.Av.R1 Rf.V1 R1.Vi Vo V1 Rf = (13.8) R1

24 Slide 23 Vo V1 Rf = (13.8) R1 Para Rf = R1 Vo/V1 = -1 (ganho unitário)

25 Slide 24 Terra Virtual A tensão de saída é limitada pela fonte de alimentação, ou seja, apesar do ganho elevado típico deste dispositivo, a saída nunca será maior que a alimentação. Figura 13.13a Como Ri é muito grande, podemos admitir que Vi 0V. Isto implica que não há corrente na entrada do amplificador para o GND. Figura 13.14

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