1 - Amplificadores operacionais

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1 mplificadores operacionais. MPOP ideal. Modelo do MPOP ideal.3 Tensão de modo comum e tensão de modo diferencial.4 Desvios em relação ao caso ideal.5 Esquema equivalente.6 Correntes de polarização.7 Tensões e correntes de offset.8 Técnicas de compensação de offsets.9 esposta em frequência, estabilidade e compensação.0 Produto ganho largura de banda. Slewrate. Factor de rejeição de modo comum ( C.M... ).3 alores típicos dos parâmetros de um MPOP

2 mplificadores Operacionais Introdução Foram utilizados inicialmente em computadores analógicos para efectuar operações matemáticas (somas, subtracções, integrais, derivadas,...) Primeiros mpops FICHILD 70, 709, 74 NTIONL SEMICONDUCTO 0/ 30 SÍMBOLO: () (4) (3) () (5) Entrada inversora Entrada não inversora 3 Saída 4 limentação 5 limentação IDENTIFICÇÃO : xy (BC)D EF xy Prefixo Conjunto de letras que identificam o fabricante

3 Ex: D nalog devices C C LM National Semicondutor Corporation M Motorola ME/SE Signetics TL Texas Instruments U Fairchild TIPO DE CICUITO (BC)D (BC) 3 a 7 números e/ou letras D Gama de temperaturas C Comercial 0 a 70 C D I Industrial 5 a 85 C M Militar 55 a 5 C SUFIXO (EF) a letras Identifica o tipo de cápsula ( package ) DIL Dual In Line (pinos distribuídos em duas fiadas paralelas) D Plástico (circuito impresso ) (EF) J Cerâmico

4 N,P Plástico preparado para socket Ex: U 74 C P Fairchild Tipo de Gama Cápsula MPOP Comercial Plástica (circuito) ( 0 70 C ) LIMENTÇÃO De um modo geral é utilizada alimentação bipolar ( tipicamente 5 e 5 ) Potencial de referência (massa) TENSÕES DE STUÇÃO: tensões limites, máxima e mínima, que o MPOP pode fornecer na saída, mantendose na região de linearidade ST Tensão de saturação positiva ST Tensão de saturação negativa TIPICMENTE ST

5 ST egião de linearidade (simétrica em torno de 0 volt): ± Ex: para = 5 ± 3 Ganho em cadeia aberta ( s/ retroacção ) u d I Io o I O = OL u d = OL ( ) OL Ganho em cadeia aberta do MPOP alores tipicos de OL 0 6 ou maior I I 0 (valor muito reduzido, da orfem de grandeza dos 0 n ou inferior) Elevada impedância de entrada ( ) Baixa impedância de saída ( 0 ) ( I O ) MX ex : 6 m LM 339 Exemplo : Considerando que na figura representada a frequência da portadora é 50 Hz e que TEMP = 5 (): calcular T H e representar gráficamente O

6 Ec =5 5 (). KW o E c () t(ms) TEMP T H t(ms) T = /f = /50 = 0.0 s = 0 ms T H = 0 ms. MPOP IDEL u = ( ) d I Infinita Impedância de entrada infinita I = I = 0 I I o O Nula Impedância de saída nula O = OL.u d OL Ganho em cadeia aberta infinito u d = 0 Largura de banda infinita não existem limitações no domínio da resposta em frequência

7 u d nula Tensão diferencial de entrada nula ( = ) Ganho de modo comum nulo. Modelo do MPOP ideal v v 0 u d v OL u d OL u d 0.3 Tensão de modo comum e tensão de modo diferencial v c v v = Comum v d = v v Diferencial No caso geral, temse: v 0 = v v = = v vd v vd = c c ( ) v c vd = = c v c d v d

8 c Ganho de modo comum d Ganho de modo diferêncial No caso ideal, temos: = = C = 0 ; d = v v 0 v v dvd IDEL v cv c d v d d v v v0 IDEL v 0 v v Ex : Considerando as aproximações relativas ao MPOP ideal, determine ganho da montagem.

9 v i u d v o MONTGEM NÃO INESO u d = 0 = v i I = 0 I = I = = vi Lei de ohm v 0 = ( ) I = v i Ganho vo = = v i =.4 Desvios em relação ao caso ideal Ganho de modo diferencial elevado mas com valor finito Ganho de modo comum reduzido mas não nulo Impedância de entrada elevada mas com valor finito Impedância de saída baixa mas não nula v O = d u d c u c com: u d = v v u c = (v v )/ u d Tensão diferencial de entrada u c Tensão comum de entrada d ganho de modo diferencial c ganho de modo comum

10 .5 Esquema equivalente v I B 0S Z 0 v 0 I B I 0S Z i d d ( v v ) v IB Z i c Z i c IB C ( v v ).6 Correntes de polarização I B = I B I os sendo I B = IB IB I B = I B Ios I 0S = I B I B I B Corrente de polarização ( bias ) I OS Corrente de offset IB I B IB I IB = I = I I B OS B B

11 I B, I B Componentes contínuas ( não podem estar bloqueadas por condensadores ).7 Tensões e Correntes de "OFFSET" os IB I B o s correntes de polarização ( bias ) têm origem nos elementos activos (transistores ou FET s) que existem no andar de entrada do MPOP. Estas correntes são definidas para o = 0 e são dadas por : I B = I I B B I OS = I B I B Deriva Térmica de corrente I 0S T tensão de "OFFSET" de entrada corresponde ao valor de tensão que se deve aplicar na entrada para compensar os desequilíbrios em termos de amplificação do MPOP. Deriva Térmica de tensão 0S T tensão de "OFFSET" de saída corresponde à tensão residual que existe na saída do MPOP quando as entradas inversora e não inversora são colocadas ao potencial de massa. "INPUT COMMON NGE" alor máximo da tensão de modo comum que se pode aplicar na entrada mantendo o funcionamento linear.

12 "INPUT DIFEENCIL NGE" alor máximo de tensão que se pode aplicar entre as entradas do MPOP sem o danificar. "OUTPUT OLTGE NGE" mplitude de sinal máxima pico a pico que se pode ter na saída sem distorção significativa para um determinado valor de resistência de carga. "FULLPOWE BNDWIDTH" alor máximo de frequência de um sinal sinusoidal cuja amplitude corresponde ao "output voltage range". "POWE SUPPLY EJECTION TIO" Este parâmetro corresponde à taxa de variação da tensão de "offset" de entrada em função da tensão de alimentação quando as restantes tensões do circuito permanecem constantes. "SLEW TE" Corresponde à taxa de variação máxima da tensão de saída em função do tempo. Este parâmetro é medido com o MPOP em cadeia fechada e com sinais de entrada que apresentem uma taxa de variação temporal da amplitude elevada (escalão)..8 Técnicas de compensação de offsets I 3 o I o 3 Se I = 0 o circuito equivalente pode ser representado por:

13 3 0S I0S IDEL o IB IB 0 = os 3 // I B 3 // I os É possivel anular o efeito de I B fazendo: 3 = //, mesma resistência equivalente ligada aos terminais de entrada. É possivel por ajuste de 3 fazer O = 0 com I = 0 Frequentemente os MPOPs têm terminais para ligar potenciómetros e anular o efeito das tensões e correntes de offset, OS e I OS, respectivamente. No entanto mesmo que não existam terminais específicos é sempre possivel fazer a compensação externamente. Montagem inversora Compensação em tensão

14 I cc 49 K 4 C o cc 0 K 3 00 Ω C ± CC Compensação em corrente 3 I c cc cc I o I C ± cc 3 3 >>, Montagem não inversora

15 I o cc 4 c cc << 4 3, C ± cc esposta em frequência, estabilidade e compensação Considerando a aproximação do pólo dominante, a função de transferência de um MPOP é dada por: 0 ( s) 0 0 (s) = ( s) = = = U s s s d( ) ω π f S = jω (jω) = (ω) e j θ(ω) = o O = ω j j f ω f O Ganho em baixa frequência O f Produto ganho por largura de banda exp: 74 O = , O f = Mhz, f = 5 Hertz

16 Estabilidade e compensação Um MPOP comportase de um modo estável sempre que um sinal limitado na entrada conduz a um sinal limitado na sua saída, admitindo que não existe saturação. Para que o MPOP tenha um comportamento estável, no domínio da frequência, é muitas vezes necessário utilizar técnicas de compensação, internas ou externas relativamente ao circuito do MPOP. Deste modo é usual sacrificar o ganho do MPOP para aumentar a estabilidade. Estabilidade ausência de pólos da função de transferência no semiplano complexo direito (caso contrário a transformada inversa de Laplace conduz a exponenciais crescentes no tempo).0 Produto ganho largura de banda Montagem não inversora

17 I (S) u d (s) 0 (S) o I ( s) ( s) ( s) = ( s) β Sendo β = (s) = o S ω ( s) ( s) K o o = c/ K o = ωa = S ω o β o I ω a ( β) o ω = ω ( β) a ω = K ω o o a o Conclusão: para diferentes ganhos mantemse constante o produto ganho por largura de banda

18 Montagem inversora I o K ( β) = β K = ( β) 3 K o ( o ) 3 Factor. β Igual à montagem não inversora β ω = ω ( β) a ω = K ω / ( β) o o a o Conclusão: O produto Ganho * Largura de banda só se mantém aproximadamente constante seβ<<. Slew ate

19 É o valor máximo da taxa de variação temporal da tensão de saída do MPOP. Tipos de limitações: Sr = do dt max /s Origem Corrente limitada na carga de elementos capacitivos I o ex: U 74 S r 0.65 /µs egime sinusoidal limitado por S r : v O (t) = Om sen (ωt)

20 d ( t) = Om ω cos (ωt) dt vo d o dt MX = Om ω < S r Para não haver distorção por Slewate Distorção por Slewate tende a transformar uma sinusoide numa onda triangular. Na distorção por saturação a onda tende a ficar quadrada.. Factor de rejeição de modo comum (C.M...) C.M... Common Mode ejection atio Definese factor de rejeição do modo comum, como: C.M... = d c ( unidades lineares ) C.M... db = 0 log 0 d c ( unidades logarítmicas ) O valor do C.M... geralmente diminui quando a frequência aumenta, e a sua determinação experimental deve garantir que para frequências elevadas não existem limitações causadas pelo slew rate..3 alores típicos dos parâmetros de um MPOP

21 IO o i i o I B I B OL i IO 5 m I IO 0 n I B 00 n C.M db P.S.S.. () 0 µ / I IO drift () 0. n / ºC IO drift 5 µ / ºC Slew ate / µs Unity Gain Frequency Mhz Full power Bandwidth 50 Khz OL O 00 Ω i MΩ i (FET) 0 Ω () P.S.S.. Power Supply ejection atio () Deriva ( drift )