Curso Técnico em Eletroeletrônica Eletrônica Analógica II

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1 Curso Técnico em Eletroeletrônica Eletrônica Analógica II Aula 09 Amplificador Operacional: Características Buffer Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino 2016

2 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

3 AMP-OP básico V i : Entrada inversora produz uma saída com polaridade oposta ao sinal aplicado. V i + : Entrada não-inversora produz uma saída que está em fase com o sinal aplicado. V o : Tensão de saída +V CC e V CC : 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 (+V CC e terra): a tensão quiescente de saída torna-se igual a +V CC 2 V i + V i Tensão diferencial de entrada: V d = V i + V i O amp-op amplifica a diferença entre as duas entradas: V o = A vo V d

4 LM 741

5 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS Tensão de OFFSET de saída: Quando os transistores do estágio diferencial de entrada não são idênticos, provocam um desbalanceamento interno que resulta em um tensão na saída, denominada tensão de offset de saída, mesmo quando as entradas estão aterradas 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 CMRR: Razão de rejeição de modo-comum 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-op em rejeitar estes sinais iguais é a CMRR e é medida em db. Define quantas vezes mais o amplificador amplifica sinais aplicados em modo diferencial do que sinais aplicados em modo comum CMRR = 20log A v diferencial A v modo comum

6 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 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 I T e V T 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/us para LM741) 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)

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8 PAR DIFERENCIAL O amplificador diferencial é o bloco de construção mais utilizado nos CIs analógicos e é o estágio de entrada de cada amplificador operacional. Funcionamento: 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 ripple de entrada, V o1 e V o2. V o1 e V o2 são afetados pelo ripple exatamente da mesma forma, de maneira que a diferença entre eles permanece livre do ripple. Principais características: Sinais que são opostos nas entradas são altamente amplificados Sinais que são comuns nas entradas são ligeiramente amplificados Ou seja, amplifica o sinal diferencial e rejeita o sinal comum às entradas Se o circuito apresenta assimetrias e saída diferencial será corrompida Vantagem: maior imunidade ao ruído ambiente e da fonte 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. 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.

9 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

10 IDEAL x REAL Amp-op ideal: A impedância de entrada é infinita; A impedância de saída é igual à zero. Não existe fluxo de corrente nas entradas do AmpOp; Seu ganho de tensão em malha aberta é infinito; Não existe diferença de potencial entre suas entradas (curto circuito virtual); Amp-op real: Impedância de entrada (R i ): muito alta Impedância de saída (R o ): muito baixa Ganho de tensão: limitado Os componentes reais possuem limitações físicas fazendo com que suas características divirjam dos componentes ideais.

11 MODOS DE OPERAÇÃO Malha aberta: 1) Sem realimentação Malha fechada: 2) Com realimentação positiva 3) Com realimentação negativa

12 1) AMP-OP SEM REALIMENTAÇÃO (EM MALHA ABERTA) V o = A vo (V i + V i ) A vo : ganho de tensão do amp-op em malha aberta o ganho do amp-op é estipulado pelo próprio fabricante, ou seja, não se tem controle sobre o mesmo Aplicações: circuitos comparadores

13 2) AMP-OP COM REALIMENTAÇÃO POSITIVA A saída é reaplicada à entrada NÃO-INVERSORA através de um resistor de realimentação R f. Inconveniente: pode conduzir o circuito à instabilidade Neste modo de operação, o amp-op não trabalha como amplificador, pois sua resposta é não-linear Aplicações: circuitos osciladores Um sistema dinâmico não-linear: - é um sistema não pré-determinista, onde as implicações dos seus integrantes individualmente são aleatórias e não previsíveis. - Estes sistemas evoluem no domínio do tempo com um comportamento desequilibrado e aperiódico, onde o seu estado futuro é extremamente dependente de seu estado atual, e pode ser mudado radicalmente a partir de pequenas mudanças no presente.

14 3) AMP-OP COM REALIMENTAÇÃO NEGATIVA A saída é reaplicada à entrada INVERSORA através de um resistor de realimentação R f. É o modo de operação mais importante em amp-op. linear O ganho de tensão pode ser controlado pelo projetista. O ganho de malha fechada é sempre inferior ao ganho de malha aberta Aplicações: amplificador não-inversor, amplificador inversor, somador, subtrator, diferenciador, integrador, filtros ativos, etc...

15 Terra virtual Propriedade presente apenas na configuração em malha fechada e com realimentação negativa. depende de A vo ser muito grande Curto-circuito virtual: condição na qual V d 0V, ou seja, V a V b, o que leva a um conceito de que na entrada do amplificador existe um curto-circuito virtual I i = 0A e I ni = 0A O amp-op tem uma impedância de entrada tão alta que, mesmo com um ganho alto, não há corrente ao longo do plugue de entrada inversora, por essa razão tudo da corrente de entrada passa pelo R f. Terra virtual: Como V a V b e V b está ligado ao terra, significa que podemos considerar a tensão na entrada inversora como sendo a mesma do terra (uma vez que V d 0V), mas nenhuma corrente flui para o terra nesse ponto. a V d 0V b I i = 0A I ni = 0A

16 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: Seguidor de tensão ou buffer Amplificador inversor. Amplificador não inversor Somador inversor e não inversor Diferencial ou subtrator Diferenciador Integrador Circuitos não lineares com ampop: circuito comparador comparador Schimitt Trigger. multivibradores

17 Seguidor unitário ou buffer Fornece um meio de isolar um sinal de entrada de uma carga ao utilizar um estágio com ganho unitário de tensão, sem inversão de fase ou polaridade, e agir como um circuito ideal com impedância de entrada muito alta e impedância de saía muito baixa. Aplicações: - isolador de estágios - reforçador de corrente - casador de impedâncias, etc V o = V 1 G v = 1

18 BIBLIOGRAFIA BOYLESTAD, Robert L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11ª ed. São Paulo: Pearson Prentice-Hall do Brasil, SEDRA, A.S.; SMITH, K.C. Microeletrônica. 4ª ed. São Paulo: Pearson Makron Books, MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 2. São Paulo: Mcgraw Hill,