Electrotecnia. Informática para a Saúde. Amplificadores Operacionais

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1 Electrotecnia Informática para a Saúde Amplificadores Operacionais

2 Sumário Amplificadores Operacionais 1 Simbologia 2 Características 3 Funcionamento 4 Configurações Básicas: 4.1 Amplificador Inversor 4.2 Amplificador Não Inversor 4.3 Buffer 4.4 Somador Inversor 4.5 Subtractor (amplificador diferencial) 4.6 Integrador 4.7 Diferenciador 4.8 Comparador 1

3 1Simbologia O amplificador Operacional (AmpOp) é um circuito integrado utilizado num grande número de aplicações, entre as quais se destaca: O controlo de processos A amplificação A regulação de sistemas Operações lineares e não lineares A filtragem A figura seguinte representa o seu símbolo: i cc cc O AmpOp é um dispositivo composto por duas entradas (entrada inversora () e entrada não inversora ()) e uma saída. O AmpOp é constituído internamente por uma cascata de amplificadores com transístores. 2

4 1Simbologia Entrada Não Inversora Entrada Inversora i cc cc Saída Tensões de Alimentação A saída do AmpOp é uma tensão proporcional à diferença de tensão entre as suas entradas não inversora e inversora. o v i o = A v ( ) = A As características apresentadas de seguida são relativas ao AmpOp ideal e servirão de base ao nosso estudo. 3

5 Impedância de Entrada 2Características No AMPOP ideal considerase que a corrente que entra nos seus terminais é nula, I =I =0, o que significa que existe na entrada uma impedância infinita. Z IN IN IN = = I 0 IN Na prática temse uma impedância bastante elevada o que significa uma corrente de entrada de valor muito reduzido (<1microAmpére). Esta característica é explorada quando se pretende obter um bom isolamento eléctrico entre circuitos (montagem BUFFE). 4

6 2Características Impedância de Saída No AmpOp ideal considerase que a corrente de saída pode ter um valor infinito o que implicaria uma impedância de saída nula. Z OUT I OUT OUT = = OUT 0 Ganho de Tensão em Malha Aberta Pode afirmarse que na situação de malha aberta (sem realimentação entre a saída e a entrada) o AmpOp apresenta na sua saída um sinal que é o resultado de uma amplificação da diferença entre os potenciais à entrada ( ). Idealmente temse: OUT OUT A = = = IN 5

7 2Características A OUT = = IN Considerar o ganho de tensão infinito, corresponde a admitir que existe tensão de saída mesmo que a tensão de entrada seja nula IN =0 =0 = Na prática a tensão de saída está limitada aos valores de alimentação do AmpOp, ou seja, à saída não teremos valores superiores a cc ou inferiores a cc os quais correspondem à saturação do AmpOp. As considerações I =I =0 e = constituem o denominado conceito de terra virtual. Este conceito é perfeitamente genérico e pode ser aplicado na análise simplificada de qualquer circuito com AmpOps. 6

8 3Funcionamento Basicamente o amplificador operacional pode funcionar em três modos: Malha Aberta ealimentação Positiva ealimentação Negativa A situação de Malha Aberta é normalmente utilizada quando se pretende executar comparações entre dois sinais (lembrese que a saída é função da diferença entre os potenciais das entradas): Se 1 > 2 O CC Se 1 < 2 O CC 2 1 O 7

9 3Funcionamento A realimentação positiva é utilizada por exemplo em osciladores, pois a saída oscila que é o que se pretende na geração de sinais. IN 1 2 out A realimentação negativa é a que possui mais aplicações, quer em operações aritméticas, quer na execução de amplificadores e de filtros. IN 1 2 out Para analisarmos montagens com realimentação negativa temos que ter presente os pressupostos: As correntes que entram no AmpOp são nulas As tensões nas entradas e são iguais 8

10 4.1Amplificador Inversor s I1 I2 1 2 o Uma das configurações mais utilizadas do AmpOp é o chamado amplificador inversor. É constituído por um AmpOp e duas resistências ligados como se mostra na figura. Usando o conceito de terra virtual: I = I = 0 I = I 2 0 = s 1 2 s o I1= I2 = = = A saída é uma réplica amplificada da entrada (ganho 2 / 1 ), mas com a fase invertida. 9

11 4.2Amplificador Não Inversor A figura seguinte representa outro amplificador com AmpOp: o amplificador não inversor I1 I2 1 2 s o Aplicando o conceito de terra virtual a esta configuração: I = I = 0 I1= I2 = = s I = I = s s o = 2 1 s 1 10

12 4.3Buffer Na figura seguinte representase um caso particular da configuração anterior denominado BUFFE. s o Nesta configuração 2 =0 e 1 = e neste caso: = 0 s Esta montagem, por ter uma impedância de entrada bastante elevada é utilizada para obter isolamento eléctrico entre circuitos. 11

13 4.4Somador Inversor Um somador inversor não é mais que um amplificador inversor, utilizando vários ramos de entrada n n o Assim: I = I I I = I I I i k o = k = n k k n o n = k 1 k 12

14 4.5Subtractor Um subtractor ou amplificador diferencial, é como o nome indica um amplificador que reage à diferença entre dois sinais o 3 4 Aplicando o conceito de terra virtual: Logo, e = = = o O = Um caso particular surge quando 3 = 1 e 4 = 2 ( ) 2 o =

15 4.6Integrador O integrador não é mais que um amplificador inversor no qual a resistência 2 foi trocada por um condensador. I1 I2 s C o d IC = C dt C I I 1 2 s = d = C dt 1 o = sdt C t 0 o 0 (0) Condição inicial (carga inicial do condensador) 14

16 4.7Diferenciador O diferenciador é obtido do integrador trocando a posição do condensador e da resistência. s C d IC = C C dt I1 I2 o I = I 1 2 d C dt s o = d o = C d t s 15

17 4.8Comparador o cc i o i cc A característica de transferência de um AmpOp pode ser explorada para efeitos de discriminação de sinais de tensão: Se i > 0 O CC (saturação positiva) Se i < 0 O CC (saturação negativa) com i = 16