O amplificador operacional

Transcrição

1 Instituto Superior Técnico Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores Área de Electrónica O amplificador operacional (simulação com Pspice) Trabalho de Laboratório Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica Licenciatura em Engenharia de Redes de Comunicação e Informação (LERCI)

2 Introdução O amplificador operacional (ampop ou opamp do inglês) é um circuito integrado utilizado em variadas aplicações. Foi inicialmente utilizado em computação analógica para realizar diferentes tipos de operações tais como, inversão, soma, subtracção, integração, diferenciação, etc., sendo essa a origem da sua designação. Tem umas características que o aproximam do amplificador ideal: resistência de entrada elevada ( ), resistência de saída baixa (0) e ganho elevado ( ). O circuito integrado é constituído por vários componentes entre os quais transístores e resistências. No entanto, nesta fase de estudo, será apenas analisado como um bloco caracterizando as medidas aos seus terminais. A análise do circuito que constitui o amplificador operacional será efectuada na disciplina de Electrónica Geral. Objectivos Este trabalho permitirá compreender o funcionamento exterior de um amplificador operacional, bem como algumas das limitações que apresenta face a um amplificador ideal. Serão construídos modelos que se afastam do modelo ideal e analisados também os modelos fornecido pelas bibliotecas do Pspice. Material Computador pessoal tendo instalado o software Pspicestudent versão p.1. Relatório O trabalho deve ser preparado anteriormente à sua realização no laboratório. No relatório, devem ser incluídos os resultados pedidos e os gráficos resultantes de simulações. Deve ser realizada a interpretação dos resultados, através das comparações e dos comentários pedidos ao longo do trabalho. Plano de trabalhos 1ª parte Considere um circuito que permita modelar um amplificador operacional de ganho A = , resistência de entrada R i = e resistência de saída R o = 0. 1 Com um dos programas de edição de esquemas (Schematics ou Capture) desenhe o circuito da figura 1. i i+ + v id - i i- + A - i o Figura 1 Amplificador operacional

3 2 Trace a variação da tensão de saída V o para uma tensão de entrada que varie entre - e +. 3 Como base no gráfico obtido no programa Probe, confirme o valor do ganho do amplificador. Indique no gráfico o valor do ganho. 4 Verifique o valor do ganho com uma análise AC (efectue a simulação para frequências desde 0,001 Hz a 100 MHz). Apresente o gráfico e assinale o valor do ganho. 5 Preencha a tabela 1. Trace a variação das correntes de entrada i i+ e i i- para uma tensão de entrada que varie entre - e +. O que conclui sobre i i+ e i i-? Como justifica os valores de i i+ e i i- face ao modelo utilizado? Tabela Preencha a tabela 2. Desenhe o gráfico (i o ). Justifique a variação de com i o. Tabela 2 i o 2ª parte Considere de novo o circuito da figura 1. Simule de o circuito, utilizando para o AmpOp o modelo OPAMP (biblioteca analog.com) com ganho A = :

4 1 Trace a variação da tensão de saída V o para uma tensão de entrada que varie entre - e +. Compare com o gráfico obtido na 1ª parte. Comente. 2 Preencha a tabela 3. Compare este modelo com o modelo anterior face à resistência de entrada R i. Justifique. Tabela Preencha a tabela 4. Compare este modelo com o modelo anterior face à resistência de entrada R o. Justifique Tabela 4 4 Faça uma simulação AC desde 0,001 Hz a 100 MHz. Apresente o gráfico e compare com o do modelo anterior. 3ª parte Desenhe um circuito que permita modelar um amplificador operacional de ganho A, resistência de entrada R i e resistência de saída R o. 1 Analise a folha de catálogo, incluída em anexo, que descreve o AmpOp da TexasInstrument µa 741. Procure na folha de catálogo valores que permitam caracterizar A, R i e R o. Justifique. Considere de novo o circuito da figura 1. 2 Trace a variação da tensão de saída para uma tensão de entrada que varie entre - e +. Compare este gráfico com os obtidos com os modelos anteriores.

5 3 Preencha a tabela 5. Compare este modelo com o modelo anterior face à resistência de entrada R i. Justifique. Tabela Preencha a tabela 6. Compare este modelo com o modelo anterior face à resistência de entrada R o. Justifique. Tabela 6 4ª parte Utilize agora o modelo de biblioteca do amplificador operacional 741 (A741da biblioteca eval.lib). Alimente o circuito com tensões de ±15V (V+ = 15 V e V- = - 15 V). 1 Trace a variação da tensão de saída V o para uma tensão de entrada que varie entre - e +. 2 Compare os valores máximos da tensão de saída (saturação) com os valores das fontes de alimentação. Varie os valores das tensões de alimentação, dentro dos valores especificados no catálogo. O que acontece aos valores máximos da tensão de saída? 3 Qual o valor da tensão para v id =0?

6 4 Considere em série com o terminal de entrada positivo do ampop uma fonte DC (Voffset). Que valor deve ter esta fonte de modo a ter-se = 0 V para v id =0? Justifique. 5 Introduza a fonte no esquema e trace a variação da tensão de saída para uma tensão de entrada que varie entre - e +. Compare este gráfico com os obtidos com os modelos anteriores. 6 Preencha a tabela 7. Trace a variação das correntes de entrada ii+ e ii+- para uma tensão de entrada que varie entre - e +. Compare com os modelos anteriores. Justifique as diferenças. Tabela Preencha a tabela 8. Desenhe o gráfico vo(io). Compare com os modelos anteriores. Justifique as diferenças. Tabela 8 8 Faça uma simulação AC desde 0,001 Hz a 100 MHz. Apresente o gráfico e compare com o dos modelos anteriores.