Prof. Antonio Carlos. Aula 11: Amplificadores Operacionais

Transcrição

1 IFUFJ Elementos de Eletrônica Analógica Prof. Antonio Carlos Mestrado Profissional em Ensino de Física Aula : Amplificadores Operacionais Este material foi baseado em liros e manuais existentes na literatura (ide referências) e na internet e foi confeccionado exclusiamente para uso como nota de aula para as práticas de Laboratório de Física Moderna Eletrônica. Pela forma rápida que foi confeccionado, algumas partes foram extraídas quase erbatim de outros autores citados na lista de referências. Tratase de um texto em processo de constante modificação. Por gentileza, me informe os erros que encontrar. Um amplificador operacional (Amp Op) é um amplificador diferencial com alto ganho, alta impedância de entrada e baixa impedância de saída. Os amplificadores operacionais são normalmente utilizados para amplificar tensões, como osciladores, filtros, etc... As figuras abaixo mostram um amplificador operacional típico com duas entradas (uma positia e outra negatia) e uma saída. O sinal na saída terá a mesma polaridade ou polaridade inertida, dependendo se o sinal é aplicado na entrada inersora () ou não inersora (). inersora V Z saida entradas Saída Z entrada não inersora V V TH = A( ) V saida = AV ( ) V A ganho diferencial (openloop gain, ganho de malha aberta) A= (ideal) 3

2 Z entrada impedancia de entrada, Z entrada = (ideal) Z saida impedância de saída, Z saida = 0 (ideal) Um Amp Op ideal possui uma impedância de entrada infinita e uma impedância de saida nula. No entanto, um Amp Op real possui impedância de entrada finita e uma impedância de saída não nula. A impedância de entrada de um CI (circuito integrado) Amp Op feito com transitores bipolares de junção é da ordem de MΩ. Amp op feitos com transistores de efeito de campo (FET) possui impedâncias de entrada muito maiores (até 0 Ω). A impedância de saída aria entre e 00 Ω CI Amp Op. Exercícios Considere um amplificador operacional ideal exceto pelo ganho de malha aberta A = 0 3. O amplificador operacional é usado em um circuito de realimentação e as oltagens que aparecem em dois dos três terminais são medidas. Em cada caso, use os alores medidos para encontrar a tensão no terceiro terminal. V (V),00 3,6 V (V) 0 0,998 5 V saida (V) 0 3,6 ANÁLISE DE CICUITOS CONTENDO AMPLIFICADOES OPEACIONAIS IDEAIS A CONFIGUAÇÃO INVESOA i i o Terra irtual 3

3 V i o V = 0 o = = G o A = G ganho de malha fechada A esistência (impedância) de entrada na configuração inersora é dada por in = /i =. Este é de fato um dos problemas da configuração inersora, a sua baixa impedância de entrada. Para aumentar a impedância de entrada, mantendo o ganho constante, é necessário aumentar e proporcionalmente, o que torna iniáel para fins práticos porque o alor de tornase proibitiamente alto Largura de banda Para uma entrada senoidal V in com freqüência f, o sinal de saída V out em geral, diminui em amplitude com o aumento da freqüência. Ou seja, o ganho A = V out /V in é uma função da freqüência do sinal. O ganho pode também ser expresso em decibéis (db) V 0 0 Vin out A = log ( ) (em db) Definimos a freqüência de corte f 3dB, a freqüência para qual o ganho V out /V in = 0,707. Esta queda no níel do sinal corresponde à 3 decibéis (db), então f 3dB é chamada de freqüência de corte inferior de 3 db. O alor máximo possíel para o ganho é unitário e pode se alcançado assintoticamente para f 0 (ide figura abaixo). 33

4 Figura Ganhos de malha aberta (A) e malha fechada (G =0) de um amplificador operacional em função da frequência. A relação entre o ganho e largura de banda em um amplificador operacional pode ser expressa pelo produto ganho largura de banda = ponto de ganho unitário. Para circuitos com amplificador operacional, o ponto de ganho unitário para uma dada configuração será igual ao produto do ganho pela largura de banda para qualquer outra configuração do mesmo amplificador operacional. Ou seja, quando o ganho muda, a largura de banda também muda, mas o produto é constante. Limites de corrente de saída Uma outra limitação é a corrente máxima de saída (corrente que o Amp OP pode fornecer à carga). Para o µa 74, os limites são ± 40 ma. Um alor muito baixo para a carga implicaria que a corrente excederia estes limites, e a forma de onda da saída seria ceifada. Problemas: )Supondo que os amplificadores operacionais abaixo são ideais, encontre o ganho de tensão G= o / in e a impedância de entrada de cada um dos circuitos. A) B) C) D) 34

5 E) F) )Encontre a tensão de saída, o, para os exemplos abaixo: A) B) C) D) F) E) Prática: ) Produza em sua bancada um sinal senoidal de 0, V de amplitude que será utilizado nos itens seguintes. Desenhe a forma de onda produzida no gráfico abaixo. 35

6 ertical = V/diisão horizontal = V/diisão ) Projete, monte e teste um circuito amplificador INVESO cuja saída seja de (,0±0,) V quando excitado com o sinal do item. Anotações, diagramas, desenhos: 3) Aplique o sinal de 0, V na entrada do amplificador projetado, usando um sinal com uma freqüência de 00 Hz. Verifique a amplitude do sinal de saída. Altere a freqüência do sinal de entrada (0. V) para 00 Hz, e erifique noamente o sinal de saída. epita estes passos para as freqüências de 500 Hz, khz, khz, 5kHz, 0 khz, 0 khz, 50 khz, 00 khz, 00 khz, 500 khz, MHz, MHz. Anote todos os alores em uma tabela. Freqüência (Hz) V entrada (V) V Saida (V) V saida /V entrada Log( V saida /V entrada ) 4) Faça os Gráficos de GANHO A=V s /V e em função da freqüência para cada caso realizado nos itens anteriores usando papel monolog (V s /V e no eixo linear e f no eixo logarítmico). Obsere o que ocorre com o ganho em função da freqüência em cada caso 36

7 ,4,,0 V S /V E 0,8 0,6 0,4 0, 0, frequência (Hz) Não esqueça de fazer anotações completas e cuidadosas sobre o que foi feito em cada item, como foram projetados os circuitos, que considerações foram feitas, quais os alores utilizados para os resistores, que amplificadores operacionais foram utilizados, quais as expectatias de incertezas, e como foram obtidos os resultados. 37