O Amplificador Operacional como uma fonte de tensão controlada por tensão diferencial

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1 Slide 1 O Amplificador Operacional como uma fonte de tensão controlada por tensão diferencial entrada entrada entrada entrada configuração nula Amplificadores operacionais são amplificadores diferenciais de alta performance. Eles possuem entradas de inversão e não-inversão e, normalmente, duas entradas de energia CC. O 741 é um amplificador operacional multi-propósito em um dispositivo Introdução aos Amplificadores Operacionais 1 Vimos que, com uma variedade de transistores, podemos construir comutadores, osciladores, amplificadores, moduladores, etc., mas eles ainda são, em geral, difíceis de usar. Embora os transistores permanecem como o tijolo fundamental da maioria dos elementos de circuitos interessantes, eles foram combinados em configurações e pacotes padrão que funcionam a um nível mais alto e oferecem maior desempenho. Isso, é claro, leva a uma grande variedade de dispositivos e, até mesmo, a novas classes de dispositivos, como a separação de circuitos digitais e analógicos. Um dos exemplos mais úteis desses dispositivos analógicos de nível mais alto é o amplificador operacional (normalmente abreviado como amplif. operacional). O amplif. operacional é um amplificador diferencial (possui duas entradas e a tensão de é uma cópia amplificada da diferença entre as entradas).

2 Slide 2 Um modelo simples de amplif. operacional entrada nãoinversora Um amplif. operacional é alimentado pelo desequilibro das duas entradas. Quando há uma tensão diferencial, ele satura rapidamente. entrada inversora Introdução aos Amplificadores Operacionais 2 Essa simples analogia de água está próxima da dinâmica de um amplif. operacional. À medida que a diferença de força nas duas entradas se torna finita, a peça azul gira, e a é conectada a umas das duas tensões de alimentação. Os canais são de tal forma que a é rapidamente enviada ao fornecimento +/-V. Quando o equilíbrio entre as entradas é restaurado, então a é mais uma vez configurada em zero. Com essa analogia, quero deixar claro que é muito difícil manter as entradas em um estado tal que a fique entre a tensão de alimentação +/-.

3 Slide 3 O Amplificador Operacionalcomo uma fonte de tensão controlada por tensão diferencial vermelho azul verde Introdução aos Amplificadores Operacionais 3 O exemplo do amplificador operacional como um amplificador diferencial de ganho bastante alto deixa claro que a é levada muito rapidamente para as tensões de alimentação. Com um ganho de cerca de 1 milhão, é necessária somente uma diferença de alguns micro-volts entre as duas entradas para levar o amplificador até a saturação. Se a entrada + (não-inversora) é maior que (inversora), o amplificador satura para a alimentação +V. Portanto, para os formatos de onda fornecidos, quando alimentada para a entrada inversora, a está fora de fase com a entrada e, quando alimentada para a entrada não-inversora, a está em fase com a entrada.

4 Slide 4 O Amplificador Operacional Ideal ent O amplif. operacional ideal possui um ganho bastante alto, e uma impedância de entrada infinita Introdução aos Amplificadores Operacionais 4 O amplif. operacional ideal possui um ganho infinito, uma impedância de entrada infinita e uma impedância de arbitrariamente baixa. Nenhum desses itens é de fato verdadeiro, mas podemos usar esses ideais no projeto de circuitos, e então o processo de projeto será simples. Um amplificador ideal claramente seria maravilhoso, com uma impedância de entrada infinita ele não iria nunca carregar nenhum circuito, e poderia alimentar qualquer carga sem ser puxado para baixo. Conforme veremos, com ganho infinito podemos usar realimentação para escolher qualquer ganho que quisermos. Um desafio para o amplif. operacional é que A não é um bom parâmetro, ele varia de dispositivo para dispositivo, e é dependente de temperatura e condição operacional. Um bom projeto de amplif. operacional evita dependência de A.

5 Slide 5 Um modelo de um Amplificador Operacional Ideal A é da ordem de Introdução aos Amplificadores Operacionais 5 Um modelo para um amplificador operacional normalmente fornecido é dado acima. Esse é um conceito um tanto útil, a idéia básica é que as duas entradas possuem impedâncias de entrada arbitrariamente altas, e a diferença de tensão destas atua como uma fonte de tensão independente com um ganho alto. Acontece que, com algumas regras simples (como para o transistor BJT), podemos projetar e analisar circuitos de amplif. operacional de forma muito mais eficaz. Portanto, não usaremos esse modelo que, na minha opinião, é mais útil em circuitos que em eletrônica.

6 Slide 6 Amplif. operacionals reais ent amplif. operacional ideal, ganho de alça aberta é infinito, real A ~10 4 a 10 6 R ent ~10 6 a Ω R ~ 10 a 1000Ω entrega de potência limitada corrente de entrada é muito próxima de zero, na pa. corta a +/-Vs Introdução aos Amplificadores Operacionais 6 Agora chegamos aos amplificadores operacionais reais, eles são semelhantes ao ideal, com as limitações apresentadas acima. Além disso, você precisa estar ciente de que A depende de tudo.

7 Slide 7 Demonstração de A para um amplif. operacional (741) Introdução aos Amplificadores Operacionais 7 Uma boa forma de se olhar para um amplif. operacional é correlacionar a de tensão com a entrada. Já que nós nos importamos apenas com a entrada de tensão diferencial, o eixo horizontal é isso, e o eixo vertical é a tensão de. A inclinação da curva no centro é A (o ganho de malha aberta do amplif. operacional), e as regiões planas são onde o amplif. operacional saturou e está relatando os patamares de tensão. Observe que, já que A é grande, a inclinação da curva é alta e, portanto, os dois eixos possuem unidades diferentes, micro-volts para a entrada e volts para a.

8 Slide 8 Demonstração de A para um amplif. operacional (741) ent Aqui, temos uma impedância constante, portanto Introdução aos Amplificadores Operacionais 8 Essa primeira demonstração inclui um atenuador para reduzir a escala da e tornar a medição mais simples. Esse atenuador é de 80dB, e, portanto, reduz a tensão por um fator de , assumindo uma impedância constante.

9 Slide 9 Comparador V - é uma tensão ajustável entre V s e gnd. Já que não há realimentação, o op-amp satura para +Vs quando V ent >V conj e para Vs quando V ent <V conj. Use a regra de que V + - V - = Introdução aos Amplificadores Operacionais 9 Uma utilização de um amplif. operacional com um grande ganho de malha aberta é um comparador. Se V ent é maior que a tensão configurada, a será no nível de alimentação positivo e, do contrário, será no negativo. O ganho é tão alto que você não poderá configurar a entre níveis.

10 Slide 10 Realimentação Negativa O amplif. operacional é facilmente impedido de saturar através de realimentação negativa. Compartilhe a e conecte-a na entrada inversora. Para o amplif. operacional ideal, a corrente através de R F é igual e oposta àquela através de R ent. relacione as correntes: ganho resultante: Introdução aos Amplificadores Operacionais 10 Quase todas as aplicações de amplif. operacionals, contudo, envolvem realimentação negativa. Nesse caso, uma parte da tensão de é realimentada para a entrada inversora de um amplif. operacional. Agora, à medida que o amplif. operacional tem mais ganho, a aumenta e, como ela vai para a entrada inversora, isso reduz a. Muito rapidamente, o amplif. operacional encontra seu ponto operacional. Aqui está a vantagem de se ter um grande A; o dispositivo é, dessa forma, muito rígido e encontra o ponto operacional de forma extremamente rápida. Observe que o ponto operacional não depende de A, contanto que A seja grande.

11 Slide 11 Regras para amplif. operacionals com realimentação Quando o op-amp encontra seu ponto operacional, 1. As duas tensões de entrada são iguais. 2. A corrente para cada entrada é zero Introdução aos Amplificadores Operacionais 11 Aqui estão as duas regras prometidas para amplif. operacionals com realimentação. A primeira declara simplesmente que a diferença de tensão vai para zero e, assim, não há tensão de. Isso provém do comportamento do amplif. operacional ideal. A regra atual pode ser encarada da seguinte forma: uma corrente de entrada fornece uma tensão interna que o amplif. operacional vai corrigir ajustando a tensão de. Portanto essa é a mesma regra acima, mas escrita em termos de uma corrente efetiva nas entradas.

12 Slide 12 Usando Realimentação Negativa rede de realimenta ção rede de realimenta ção Para realimentação negativa, o amplif. operacional ajusta sua de forma que a corrente/tensão de realimentação seja aquela necessária para manter V + - V - igual a zero Introdução aos Amplificadores Operacionais 12 Existem dois meios simples de usar realimentação negativa. A realimentação é claro, deve vir sempre com a entrada inversora, mas a fonte também pode ir para a entrada inversora (tendo, assim, um amplificador inversor), ou a fonte pode ir para a entrada não-inversora e resultar em um amplificador não-inversor. A força da realimentação (quando da é realimentada) irá determinar o ganho do dispositivo.

13 Slide 13 Amplificador de ganho de unitario ou buffer Para V + -V - ser igual a zero, e ntão V = V ent Portanto, o ganho é de 1. Lembre-se de que a impedância de entrada de um amplif. operacional é bastante alta, então o buffer fornece uma transformação de impedância e protege V ent da carga Introdução aos Amplificadores Operacionais 13 Aqui, o amplificador é conduzido na entrada não-inversora com a tensão de diretamente alimentada para a entrada inversora. O amplif. operacional irá amplificar até que as tensões nas entradas inversora e não-inversora sejam as mesmas. Isso, é claro, pode ocorrer apenas se a for igual à entrada. Assim, o buffer tem um ganho unitário (a de tensão é a mesma que a entrada). Obviamente, a impedância de entrada do amplif. operacional é bastante alta, e a impedância de é baixa, então há uma transformação de impedância que pode resultar em ganho de potência. Em geral, quando ambas as entradas são usadas, você deve tentar empregar a regra que diz que as tensões devem ser iguais. Aqui, não há nenhuma forma de usar a regra que diz que as correntes são zero (embora elas sejam na essência, já que a impedância de entrada é tão alta).

14 Slide 14 Amplificador inversor Use a regra que diz que a corrente I - é igual a zero. Para evitar erros de configuração, coloque um R = R 1 R 2 para gnd da entrada não-inversora Introdução aos Amplificadores Operacionais 14 O amplificador inversor tem a entrada não-inversora ligada à terra e soma as entradas da entrada e da na entrada inversora. A forma de se analisar isso é perceber que, quando 11 e 12 são iguais e opostas, não há fluxo de corrente para a entrada do amplif. operacional, e as duas tensões de entrada serão iguais. Em outras palavras, tanto a trajetória de entrada quando a de realimentação estão alimentando a mesma resistência interna no amplif. operacional. Portanto, se as duas correntes são iguais mas opostas em sinal, então as tensões que elas induzem através desse resistor interno também serão iguais e opostas portanto, a tensão geral no terminal inversor é zero. As correntes são dadas acima, e configurá-las como iguais e opostas resulta diretamente no ganho. Na prática, há uma pequena corrente de entrada na entrada inversora, então é normal conectar um resistor à terra a partir da entrada não-inversora para fornecer a mesma impedância efetiva. Esse é um efeito pequeno, porém observável.

15 Slide 15 Demonstração de um amplificador inversor Introdução aos Amplificadores Operacionais 15 Nessa demonstração, mostramos as tensões de entrada vs para um amplificador inversor. Diminuindo-se o resistor de realimentação variável, o ganho pode ficar bastante pequeno, e o dispositivo se torna essencialmente um buffer inversor.

16 Slide 16 Amplificador não-inversor Use a regra que diz que V + - V - é igual a zero. Para evitar erros de configuração, faça com que R fonte = R 1 R Introdução aos Amplificadores Operacionais 16 O amplificador não-inversor envia a entrada para o terminal não-inversor. A realimentação deve, obviamente, ir para a entrada inversora. O ganho é ajustado por amostragem da tensão de através de um divisor de tensão. Ajustando-se a razão de R 1 para R 2, pode-se variar a intensidade da realimentação e, dessa forma, mudar o ganho. Aqui, use a regra que diz que as tensões de entrada devem ser as mesmas. Mais uma vez, a utilização da regra fornece imediatamente o ganho. Nesse caso, a fim de evitar desvio em função de uma não-correspondência de corrente de entrada, é comum colocar um resistor em série em linha com a entrada não-inversora e ajustá-lo para a impedância efetiva na entrada inversora.

17 Slide 17 Demonstração de um amplificador não-inversor Introdução aos Amplificadores Operacionais 17 Uma demonstração semelhante às anteriores, mas agora para a configuração não-inversora. Observe que, no caso do amplificador inversor, como o resistor de realimentação foi variado, o ganho poderia ser muito inferior a 1; aqui, o ganho pode apenas se aproximar de 1.

18 Slide 18 Amplificador não-inversor Introdução aos Amplificadores Operacionais 18

19 Slide 19 Amplificador não-inversor (cont.) portanto então Conseqüentemente Introdução aos Amplificadores Operacionais 19