Tecnologia em Automação Industrial 2016 ELETRÔNICA II Aula 11 Amplificadores Operacionais Par diferencial e características elétricas

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1 Tecnologia em Automação Industrial 2016 ELETRÔNICA II Aula 11 Amplificadores Operacionais Par diferencial e características elétricas Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino CONFIGURAÇÕES COMPOSTAS COM TRANSISTORES Conexão em cascata Conexão cascode Conexão Darlington Par realimentado Circuito CMOS Fonte de corrente Espelho de corrente Par diferencial Par diferencial com carga ativa giovanatangerino@ifsp.edu.br giovanatt@gmail.com CONEXÃO CASCATA Uma conexão em cascata é uma conexão em série A saída de um amplificador é a entrada para o próximo amplificador O ganho total de tensão é o produto dos ganhos de cada estágio CONEXÃO CASCODE Oferece uma alta impedância de entrada, com baixo ganho de tensão e uma baixa impedância de saída. Baixo ganho de tensão -Os cálculos da CC são independentes da cascata -Os circuitos de polarização ccsão isolados uns dos outros por capacitores de acoplamento -Os cálculos da CA para ganho e impedância são interdependentes - Estágio emissor-comum alimentando um estágio basecomum - O estágio base-comum oferece uma boa operação em alta frequência - Apropriada para aplicações de alta frequência, Pois o baixo ganho de tensão do estágio de entrada reduz a capacitância Miller de entrada

2 CONEXÃO DARLINGTON É constituída por dois transistores conectados como um supertransistor, que fornece um ganho de corrente muito alto e alta impedância de entrada. Os transistores atuam como um só, com um ganho de corrente que é o produto dos ganhos de corrente dos transistores individuais. Características Alto ganho de corrente Ganho de tensão próximo da unidade Importância prática: alta impedância de entrada Baixa impedância de saída PAR REALIMENTADO (Quasi-Darlington) É um circuito com dois transistores com características similares ao par Darlington, mas ao invés de um par de transistores, usa transistores complementares (npn e pnp) Utiliza um transistor pnpacionando um transistor npn, e os dois dispositivos atuam efetivamente como um transistor pnp. Fornece um ganho de corrente muito alto CMOS MOSFET complementar Funciona como inversor lógico É um circuito construído com transistores MOSFET tipo intensificação de tipos opostos (canal n e canal p) Comum em circuitos digitais: Baixo consumo de energia A entrada V i é aplicada a ambas as portas com a saída tomada dos drenos conectados FONTE DE CORRENTE Uma fonte de corrente ideal fornece uma corrente constante, qualquer que seja a carga conectada a ela. Uma fonte de corrente real é uma fonte de corrente em paralelo com uma resistência muito grande. Em uma fonte de corrente ideal R Podem ser construídas utilizando BJT e/ou FET

3 ESPELHO DE CORRENTE Fornece uma corrente constante Utilizado principalmente em circuitos integrados A corrente constante é obtida através de uma corrente de saída que é o reflexo ou o espelho de uma corrente desenvolvida sobre um lado do circuito. A corrente I x, estabelecida pelo transistor Q 1 e pelo resistor R x, é refletida na corrente I através do transistor Q O amplificador diferencial é o bloco de construção mais utilizado nos CIsanalógicos. O estágio de entrada de cada ampop é um amplificador diferencial. O amplificador diferencial com BJT é a base de uma família de circuitos lógicos de velocidade muito alta (ECL) VANTAGENS DOS CIRCUITOS DIFERENCIAIS: possuem maior imunidade a ruído ambiente e interferências quando comparado à circuitos simples tem uma melhor rejeição a ruído da fonte tem maior excursão de saída (duas vezes maior que o circuito simples) e maior relação sinal ruído (maior que 3 db) possuem menos (idealmente nenhuma) distorção de ordem par. CONFIGURAÇÃO BÁSICA: Duas entradas e duas saídas separadas Dois transistores casados, com dois estágios emissor-comum simétricos fornecem dois nós de saída, cuja diferença de tensão permanece livre do ripple de alimentação. 11 Principais características: Sinais que são opostos nas entradas são altamente amplificados ganho muito grande quando sinais opostos são aplicados às entradas Sinais que são comuns nas entradas são ligeiramente amplificados Ganho muito pequeno resultante de entradas comuns Ou seja,amplifica o sinal diferencial e rejeita o sinal comum às entradas Se o circuito apresenta assimetrias e saída diferencial será corrompida Rejeição de modo comum: razão entre o ganho diferencial e o ganho de modo-comum O ruído (ou qualquer sinal de entrada não desejado) costuma ser comum a ambas as entradas, a conexão diferencial tende a atenuar essa entrada indesejada, enquanto fornece uma saída amplificada do sinal diferencial aplicado às entradas

4 SINAL DIFERENCIAL Sinal de um terminal: é um sinal medido em relação à terra comum. Conduzido por uma linha Sinal diferencial: medido entre dois nós que têm excursões iguais e opostas Conduzido por duas linhas Rejeição ao ruído: Em um amplificador de áudio o ripplecausa um chiado. Ruído de ripple: uma variação em V CC aparece em V out, pois V out e V CC são medidos em relação à terra e diferem por R C I C. Solução: No circuito diferencial, V out deixa de ser medido em relação a terra e passa a ser medido em relação a outro ponto igualmente sujeito ao ripplede entrada, V o1 e V o2. V o1 e V o2 são afetados pelo rippleexatamente da mesma forma, de maneira que a diferença entre eles permanece livre do ripple. MODOS DE OPERAÇÃO: 1) Entrada simples: um sinal de entrada é aplicado a uma das entradas com a outra conectada ao terra Devido à conexão emissor-comum, o sinal de entrada aciona ambos os transistores, resultando na saída em ambos os coletores. = sin, 0 +, 2) Entrada dupla: dois sinais de entrada de polaridades opostas são aplicados A diferença das entradas resulta em saídas em ambos os coletores por causa da diferenças dos sinais aplicados a ambas as entradas Provê o dobro da excursão de saída da entrada simples, pois explora a capacidade de amplificação do estágio duplicado. sin, sin +, + 2

5 3) Modo-comum: o mesmo sinal de entrada é aplicado a ambas as entradas O sinal de entrada comum resulta em sinais opostos em cada coletor, e esses sinais se cancelam, de maneira que o sinal de saída resultante é igual a zero Na prática, os sinais opostos não se cancelam por completo, o resultado é um pequeno sinal sin +, + 0 Ganho de tensão CA com saída dupla (sinais aplicados a ambas as entradas) = = Sendo = Fornece grande amplificação sobre a diferença dos sinais aplicada a ambas as entradas X COM CARGA ATIVA Permite que os circuitos internos de um amplificador operacional convertam uma entrada diferencial em uma saída de um terminal. Dispositivos ativos (transistores) ocupam uma área de silício muito menor do que os resistores de valores altos e médios. Por isso, muitos amplificadores em CIscom BJT usam cargas com BJT no lugar de cargas resistivas, R C. Nesses circuitos, o transitorbjt como carga é usualmente conectado como fonte de corrente constante e, portanto, apresenta o transistor amplificador com uma resistência de carga muito alta (a resistência de saída da fonte de corrente) Assim, o amplificador que utiliza cargas ativas pode ter ganhos de tensão maiores do que aqueles que utilizam cargas passivas (resistivas) AMPLIFICADORES OPERACIONAIS 20

6 LM 741 AMP-OP básico : Entrada inversora: produz uma saída com polaridade oposta ao sinal aplicado. :Entrada não-inversora: produz uma saída que está em fase com o sinal aplicado. : Tensão de saída + e : fontes duplas de alimentação, iguais em módulo e sinais contrários (simétricas). Tornam a tensão quiescente de saída teoricamente nula. Caso se utilize uma fonte simples (+ e terra): a tensão quiescente de saída torna-se igual a + 2 Tensão diferencial de entrada: = O amp-opamplifica a diferença entre as duas entradas AMPLIFICADORES OPERACIONAIS É um amplificador diferencial de: ganho muito alto, impedância de entrada muito alta (alguns MΩ) e baixa impedância de saída. (menor que 100 Ω) Uso: amplificadores, osciladores, filtros, instrumentação, etc... Construção básica: usa um amplificador diferencial com duas entradas (positiva e negativa) e ao menos uma saída AMPLIFICADORES OPERACIONAIS Amplificador operacional. Arquitetura interna. Amplificador ideal x Amplificador real. Características elétricas. Tensão de offset de saída, slew-rate, saturação, rise-time, overshoot Modos de operação em malha aberta Sem realimentação em malha fechada Com realimentação positiva e negativa Circuitos lineares com amp-op: Amplificador inversor. Amplificador não inversor Seguidor de tensão ou buffer Somador inversor e não inversor Diferencial ou subtrator Diferenciador Integrador Circuitos não lineares com ampop: circuito comparador comparador Schimitt Trigger. multivibradores

7 LM 741 Tensão de OFFSET de entrada (V i offset) e Tensão de OFFSET de saída (V o offset) ( ) é fornecida pelos fabricantes. Devido às diferenças existentes nas características de Q 1 e Q 2 tem-se um desbalanceamento das correntes no circuito e, consequentemente. A diferença (em módulo) entre os valores de V BE é denominada tensão de offset de entrada : ( ) = ( ) age como um sinal diferencial (V d ) aplicado nas entradas do amplificador e produz uma tensão diferencial (V od ) na saída do mesmo. Essa tensão de saída é denominada tensão de offset de saída (ou tensão de erro de saída ) (( ) ) O cancelamento ou balanceamento de ( ) é obtido através de um divisor de tensão conectado ao estágio diferencial de entrada. Esse divisor de tensão irá permitir o balanceamento das correntes de base e de coletor, de tal forma que a diferença entre os valores de V BE1 e V BE2 se anulem. Os pinos 1 a 5 do LM741 são conectados a um potenciômetro e ao pino 4. Possibilita o cancelamento do sinal de erro presenta na saída através de um ajuste adequado no potenciômetro. Tais pinos estão conectados ao estágio diferencial de entrada do amp-op. ( ) = 1+ ( ) CMRR: Razão de rejeição de modo-comum É a propriedade de um amp-op rejeitar (atenuar) sinais idênticos aplicados simultaneamente nas entradas do amp-op(sinal de modo comum) Define quantas vezes o amplificador amplifica mais sinais no modo diferencial do que sinais no modo comum ( )=20 Quando dois sinais da mesma amplitude, frequência e fase são aplicados às entradas de um amp-op, eles devem se cancelar e nenhuma saída deve ocorrer. Na prática entretanto, um pequeno sinal ainda aparece, sendo especificado em relação ao ganho máximo em termos de atenuação ou rejeição em db. A capacidade do amp-opem rejeitar estes sinais iguais é a CMRR e é medida em db. Ganho de tensão de modo diferencial: = Ganho de tensão de modo comum = = ( )=20

8 Na prática, um amp-opde alta qualidade deve apresentar um valor para CMRR de, no mínimo 100dB (por exemplo, o LM725 e o LH0036 da National, denominados amp-opsde instrumentação ou de precisão). O amp-op741 apresenta um CMRR típico de 90dB. A figura representa a curva que relaciona o CMRR com a frequência do sinal de modo comum para o amp-op741. Note que o valor típico (90dB), fornecido pelo fabricante, só é garantido até aproximadamente 200Hz. A maioria dos ruídos industriais estão nessa faixa (60Hz e 120Hz são frequências comuns de ruídos industriais). BW -Largura de banda (bandwidth) É necessário que um amplificador tenha uma largura de faixa muito ampla, de modo que um sinal de qualquer frequência possa ser amplificado sem sofrer corte ou atenuação. Idealmente BW deveria se estender desde zero a infinitos hertz DRIFT Sensibilidade à temperatura As variações térmicas podem provocar alterações acentuadas nas características elétricas de um amplificador. Manuais dos fabricantes: fornecem os valores de variação de corrente e tensão provocados pelo aumento da temperatura e SLEW-RATE(SR) nos dá a velocidade de resposta do amplificador, é a máxima taxa de variação da tensão de saída por unidade de tempo (da ordem de 0,5 V/uspara 741) RISE-TIME Tempo de subida, é o tempo gasto pelo sinal de saída para variar de 10 a 90% de seu valor final (da ordem de 0,3us para 741) OVERSHOOT É o valor, dado em porcentagem, que nos informa de quanto o nível de tensão de saída foi ultrapassado durante a resposta transitória do circuito, ou seja, antes da saída atingir o estado permanente. (da ordem de 5% para 741) BIBLIOGRAFIA BOYLESTAD, Robert L.Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos.11ª ed. São Paulo: Pearson Prentice-Hall do Brasil, PERTENCE JR, A. Amplificadores operacionais e filtros ativos. 8ª ed. Porto Alegre: Bookman, SEDRA, A.S.; SMITH, K.C. Microeletrônica. 4ª ed. São Paulo: Pearson Makron Books, MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 1. São Paulo: Mcgraw Hill, MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 2. São Paulo: Mcgraw Hill, 2008.