O que é um amplificador operacional?

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1 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/007 que é um amplfcador operaconal? AMPP Ideal Fgura. AMPP deal. AMPP deal pode ser analsado como um componente com três zonas de operação dstntas: zona de saturação negata, zona lnear, zona de saturação posta. A zona lnear é a mas usada. Na zona lnear a tensão no termnal de saída do AMPP é proporconal à dferença de potencal entre os seus termnas de entrada, com uma constante de proporconaldade (ganho) aqu defnda como A de alor eleado. Sendo assm, nesta zona de funconamento, a dferença de tensão entre os termnas de entrada é muto pequena, por ser nersamente proporconal a A. Daqu resulta a smplfcação na análse do seu comportamento de consderar que + é aproxmadamente gual a -. V = A ( V + V ) V V + (consderando que o ganho A é muto eleado) As zonas de saturação negata e posta correspondem às stuações em que a tensão no termnal de saída é lmtada pelas tensões de almentação nferor e superor do AMPP. Quer sso se dea ao facto de o amplfcador não estar realmentado ou estar realmentado postamente, quer seja consequênca de a tensão de saída tentar superar os extremos de almentação do crcuto (aqu defndos com V dd e V ss ), sando portanto da zona de operação lnear. Nestas duas zonas será álda uma das seguntes expressões: V Vdd V >V + V Vss V <V + ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea

2 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/007 Modelo matemátco do AMPP Equações do AMPP deal I + I 0 zona lnear ou saturação V = A ( V V ) + zona lnear V Vdd V >V + V Vss V <V + saturação Aproxmações V V +, álda na zona lnear Defnções A Ganho estátco do AMPP V Almentação posta do AMPP dd V Almentação negata do AMPP ss ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea

3 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/007 AMPP usado como comparador Fgura. Crcuto comparador usando um AMPP. A aplcação mas smples do AMPP é na realzação de um crcuto comparador como o apresentado na fgura anteror. Consste em lgar um dos termnas a um níel de referênca e o outro termnal ao snal a analsar. Neste exemplo o termnal - do AMPP é lgado à massa e o termnal + é lgado a uma fonte de snal snusodal. Como acontece nos demas crcutos não realmentados, o AMPP opera na zona não lnear (saturação). Neste caso, para alores de nferores a 0V, a dferença de potencal ( ) à entrada do AMPP é negata pelo que o dsposto satura negatamente. ecprocamente, para alores de superores a 0V, a dferença de potencal à entrada ( ) é posta e o dsposto satura postamente. Tpcamente este crcuto é usado para comparar dos snas (ou níes de tensão) e gerar um bt com a nformação correspondente à ordem relata dos alores de tensão dos snas (e.g. Hgh A maor que B, Low A menor que B). Geralmente um dos níes de tensão a comparar é uma tensão constante (er conersores A/D e D/A). A presença de ruído em qualquer dos termnas pode proocar erros na determnação do alor lógco do níel de saída do AMPP, pelo que exstem antagens em ntroduzr algumas alterações ao crcuto de modo a realzar um comparador Schmtt-trgger como será analsado mas adante. Montagens realmentadas negatamente As montagens em que o AMPP está realmentado negatamente são as mas comuns. Em crcutos não dferencas, é usual o termnal + estar lgado à massa pelo que, dedo ao ganho eleado do AMPP, - tem um potencal próxmo de 0V. Nesta stuação é comum referr o termnal - como massa rtual, dado que, embora não esteja lgado à massa (como acontece com + ) a sua tensão é aproxmadamente 0V. Algumas montagens com funções lneares genércas como somar, subtrar e escalar (.e. multplcar por um ganho) podem ser realzadas à custa de crcutos smples com um AMPP e algumas resstêncas. 3 ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea

4 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/007 Montagem segudora crcuto segudor representado na fgura segunte é um crcuto tão smples quanto prátco. É composto apenas por um AMPP em que a saída está lgada ao termnal -. Faclmente se deduz que a tensão de saída, que é gual a -, acompanha a tensão no termnal + desde que não sejam atngdas as tensões de almentação do AMPP (caso em que o dsposto entra na zona de saturação). Assm temos que = - + =. Fgura 3. Montagem segudora. Esta montagem tem como prncpal função trar partdo da alta mpedânca de entrada (e/ou baxa mpedânca de saída) do AMPP de modo a solar electrcamente dos blocos de crcuto ndependentes lgados em cascata. É ulgarmente usada como bloco de saída de arados crcutos eléctrcos ou como crcuto tampão/nterface entre dos crcutos. Montagem de ganho nersor Fgura 4. Montagem de ganho nersor. Esta montagem é usada para escalar um snal. snal de entrada é multplcado por um ganho negato, pelo que a polardade é nertda. crcuto é composto por um AMPP em que a saída está lgada ao termnal - atraés da resstênca de realmentação. Faclmente se deduz que a tensão de saída é gual à tensão de entrada multplcada pela razão /. termnal - tem uma tensão muto baxa (tpcamente desprezáel) cujo alor é /A, e pode ser consderada uma massa rtual. Desde que a tensão de saída não atnja as tensões de almentação, o AMPP está na zona lnear, e são áldas as seguntes equações: + 0V 4 ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea

5 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/007 =, = = = - Montagem de ganho não nersor Fgura 5. Montagem de ganho não nersor. Esta montagem é semelhante à montagem anteror, no entanto, o snal de entrada é neste caso multplcado por um ganho posto, pelo que a polardade não é nertda. termnal - acompanha a tensão de entrada, pelo que faclmente se deduz que a tensão de saída é gual à tensão de entrada multplcada pela razão ( + )/. Assm, desde que a tensão de saída não atnja as tensões de almentação, são áldas as seguntes equações: + =, = ( = = + ) - Crcuto somador Fgura 6. Crcuto somador. 5 ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea

6 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/007 Esta montagem é usada para somar dos ou mas snas. Neste caso consderam-se e como dos snas genércos à entrada do crcuto. Tendo em conta a le dos nós, erfca-se que as correntes e, proporconas às entradas e respectamente, são somadas no nó -, dando orgem à corrente, que mpõe a tensão de saída ao atraessar a resstênca de realmentação f. termnal + está lgado à massa pelo que o termnal - pode ser consderado uma massa rtual. Assm, e desde que a tensão de saída não atnja as tensões de almentação, são áldas as seguntes equações: + 0V =, = = - f + = = ( + ) f comportamento é muto semelhante ao da montagem nersora. Como se erfca, a saída é uma soma ponderada das tensões de entrada (embora com polardade nertda). Quando são utlzados alores de, e f guas, a tensão de saída o é gual à soma de com. Crcuto somador Fgura 7. Crcuto somador. Esta montagem é usada para somar dos ou mas snas. Neste caso consderam-se e como dos snas genércos à entrada do crcuto. Tendo em conta a le dos nós, erfca-se que as correntes e, proporconas às entradas e respectamente, são somadas no nó -, dando orgem à corrente, que mpõe a tensão de saída ao atraessar a resstênca de realmentação f. termnal + está lgado à massa pelo que o termnal - pode ser consderado uma massa rtual. Assm, e desde que a tensão de saída não atnja as tensões de almentação, são áldas as seguntes equações: 6 ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea

7 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/ V =, = = - f + = = ( + ) f comportamento é muto semelhante ao da montagem nersora. Como se erfca, a saída é uma soma ponderada das tensões de entrada (embora com polardade nertda). Quando são utlzados alores de, e f guas, a tensão de saída o é gual à soma de com. Crcuto subtractor Fgura 8. Crcuto subtractor. Este crcuto é semelhante ao somador e é usado para subtrar o snal ao snal. termnal + tem uma tensão mposta pelo dsor ressto 3 e 4. A tensão no termnal - é gual à tensão em + desde que o AMPP não entre na zona de saturação. Assm são áldas as seguntes equações: + 4 = =, = = - = A saída é uma subtracção ponderada das tensões de entrada. Se os alores das resstêncas utlzadas forem todos guas (.e. = = 3 = 4 ), a saída o é gual a, mplementando assm a subtracção entre os dos snas de entrada. 7 ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea

8 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/007 Montagens realmentadas postamente Comparador Schmtt-trgger Fgura 9. Comparador Schmtt-trgger. comparador Schmtt-trggered, também conhecdo como crcuto b-estáel, dfere de um comparador normal pelo facto de a sua função o ( ) nclur uma zona não uníoca na znhança da tensão de comutação, ulgarmente referda como zona de hsterese, tal como é apresentado na segunte fgura. Fgura 0. Característca o ( ) de um comparador Schmtt-trgger. A característca completa o ( ) fgura da dreta pode ser descrta pela sobreposção das outras duas, sendo a prmera álda se o AMPP ester ncalmente na zona de saturação negata, e sendo álda a segunda no caso de o AMPP estar ncalmente na zona de saturação posta. u seja, a tensão de saída do comparador na zona correspondente a V TL < < V TH zona de hsterese depende do seu estado anteror, tal como é descrto pelo sentdo das setas. s alores das tensões que delmtam a zona de hsterese V TL e V TH dependem da relação entre as resstêncas e e são dados pelas seguntes equações: V TL = VSS e + V TH = V DD + 8 ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea

9 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/007 Esta característca pode ser usada em sstemas de comuncação para etar possíes problemas de comutação dedo à exstênca de ruído sobreposto com o snal de entrada. A zona de hsterese eta que aconteçam osclações na saída do comparador proocadas por ruído que afecte o comparador na zona em que acontece a comutação, dado que cra uma margem de proteção a esse ruído. A fgura segunte mostra a zona crítca em causa. A prmera onda representa um snal sem ruído aplcado na entrada do comparador. A segunda onda representa a mesma entrada com ruído de alta frequênca. Fgura. Efeto do ruído no lmar de comutação. A saída de um comparador normal apresentara comutações dedas ao ruído na passagem por zero Volt. A utlzação de um comparador Schmtt-trgger resole este problema, dado que a comutação no sentdo ascendente só acontece quando a tensão de entrada ultrapassa V TH, ou no sentdo descendente quando a tensão de entrada for nferor a V TL. u seja, só há uma transção ndesejada se o módulo do ruído for superor a V TH - V TL, esta dferença defne a margem de ruído tolerada pelo comparador Schmtt-trgger. dmensonamento da zona de hsterese dee ter em conta a ampltude máxma de ruído presíel, pos uma margem muto alargada ntroduz um atraso consderáel na comutação. Este atraso é dedo ao facto de a comutação não se dar durante a passagem pela tensão de comparação (0V), e é tanto maor quanto maores forem as margens V TL e V TH. 9 ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea

10 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/007 ealmentação e establdade Montagens realmentadas negatamente A generaldade das montagens com AMPPs estão dentro deste grupo, nomeadamente as montagens de ganho, fltros actos, somador, subtractor entre outros. Nestas montagens há uma realmentação entre a saída e o termnal negato do AMPP, tpcamente feta utlzando uma resstênca. Estes crcutos são estáes e geralmente operam fora da regão de saturação (.e. na zona lnear). Montagens não realmentadas Quando o AMPP é usado numa montagem em que não há realmentação, tpcamente satura pelo que geralmente se reduz a um smples comparador. Exstem dersas aplcações que utlzam comparadores, e.g. na mplementação de ADCs Flash, onde estes são usados para comparar a tensão de entrada com um níel de referênca. Montagens realmentadas postamente As montagens em que os AMPPs são realmentados postamente,.e. montagens em que há uma realmentação entre a saída e o termnal posto do AMPP, são geralmente nstáes. Nestas, o AMPP opera nas zonas de saturação e, posselmente, oscla. s exemplos mas comuns de aplcações que tram partdo deste comportamento são os crcutos multbradores, como o osclador de Wen ou o aestáel (er oscladores). utro exemplo de realmentação posta é o comparador Schmtt-trggered, apresentado anterormente. Este crcuto tem dos estados estáes e uma zona de hsterese sendo por ezes referdo como crcuto b-estáel. Prncpas lmtações dos amplfcadores operaconas Tensão de offset Dferença de potencal aplcada à entrada do AMPP (entre o termnal + e - ) de modo a obter uma tensão de saída gual a zero Volt. Esta não dealdade do AMPP dee-se essencalmente ao desemparelhamento do par dferencal de entrada do AMPP (er como se faz um AMPP). ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea

11 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/007 Lmtação de ganho alor do ganho estátco (ganho à frequênca zero,.e. ganho DC) do AMPP não é nfnto, tpcamente ara entre 40 db (00) e 00 db (00000). erro na tensão de saída assocado a esta lmtação é nersamente proporconal ao alor do ganho. Largura de banda fnta A exstênca de capacdades parastas nos termnas do AMPP e nos seus nós nternos faz com que, a partr de determnada frequênca, (representada na fgura segunte como f b, tpcamente entre khz e 0MHz), o ganho do amplfcador desça consderaelmente até que desce mesmo abaxo dos 0 db. Defne-se como largura de banda do AMPP a frequênca à qual o ganho é untáro, ou seja 0 db, na fgura segunte corresponde à frequênca f t. Fgura. Largura de banda e ganho estátco do AMPP. Slew-rate Esta é uma característca não lnear do AMPP que está relaconada com a corrente máxma que o AMPP consegue fornecer na saída. Esta lmtação traduz-se na exstênca de um máxmo para a derada da tensão de saída em ordem ao tempo, ou seja, por um decle máxmo da tensão de saída do AMPP. Valores típcos são da ordem dos 0 V/µs a 000 V/µs. A forma mas comum de medr a slew-rate é obserando a resposta do AMPP em montagem segudora a um escalão untáro. A máxma derada da tensão de saída na fgura assnalada como S corresponde à slew-rate. Fgura 3. Slew-rate de um AMPP. ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea

12 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/007 Impedânca de saída Apesar de ser desejáel que os AMPPs tenham baxa mpedânca de saída, sso mplca um eleado consumo de potênca. Desta forma, geralmente são dmensonados de forma a chegar a um bom compromsso entre o alor da mpedânca de saída e o consumo. Sendo assm, os AMPP comuns têm frequentemente mpedâncas de saída relatamente eleadas (da ordem de kω a 00kΩ). A escolha do AMPP correcto para cada aplcação dee ter em conta a mpedânca da carga que o AMPP a atacar, de forma a que a operação do AMPP não seja prejudcada por uma mpedânca de carga demasado baxa (quando comparada com a mpedânca de saída do AMPP). Efeto das lmtações do AMPP em crcutos prátcos Quando usados na construção de conersores, fltros actos, montagens de ganho, o efeto destas não dealdades, relatamente ao modelo deal do AMPP, é frequentemente determnante no desempenho destes sstemas. efeto da tensão de offset e da lmtação de ganho na generaldade das montagens realmentadas faz-se sentr num erro na tensão de saída da ordem de grandeza da tensão de offset (tpcamente entre 00µV e 0mV), e/ou da ordem de grandeza do nerso do ganho estátco do AMPP. Esta lmtação determna frequentemente a resolução máxma que se pode obter (e.g. no caso dos conersores A/D ou D/A). Por sua ez, a lmtação na largura de banda e a slew-rate determnam a elocdade máxma de operação do AMPP,.e. a frequênca máxma dos snas de entrada e saída ou a elocdade de comutação do amplfcador. Esta não dealdade determna geralmente a elocdade máxma na mplementação de conersores A/D e D/A, ou a frequênca máxma de operação no caso de fltros actos e montagens de ganho. Como se faz um AMPP Concetos báscos AMPP é um componente com duas entradas e uma saída (ou duas saídas no caso dos AMPPs com saída dferencal). Idealmente, os termnas de entrada têm uma mpedânca muta eleada (geralmente pode consderar-se como nfnta) semelhante à mpedânca de entrada de um oltímetro. Esta característca torna-os escolhas óbas na construção de crcutos de nterface, pos não alteram sgnfcatamente o funconamento do crcuto que estão a montorzar. Geralmente as entradas do AMPP são gates de transístores MS, o que lhe confere correntes de entrada desprezáes e mpedâncas de entrada muto eleadas, que deste modo não carregam a saída do bloco precedente. andar de saída do AMPP é desenhado de forma a poder faclmente fornecer corrente sendo tpcamente dmensonado de modo a consegur atacar os andares seguntes com o menor dspêndo de ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea

13 Escola Profssonal de Alto Curso Técnco de Gestão de Equpamentos Informátcos Electrónca Fundamental (AMPPs- Módulo 7) ano lecto 006/007 energa possíel. A capacdade de fornecer corrente sem degradar os alores da tensão de saída traduzse numa baxa mpedânca de saída. ENSIN PFISSINAL,CPEATIVA DE INTEESSE PÚBLIC DE ESPNSABILIDADE LIMITADA Unão Europea