28/10/2010 IFBA. CELET Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica Professor: Edvaldo Moraes Ruas, EE. Vitória da Conquista, 2010.

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1 IFBA CELET Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica Professor: Edvaldo Moraes Ruas, EE Vitória da Conquista, a Parte Introdução Amplificador Operacional 1

2 Amp-Ops A maioria são dispositivos de baixas potências de menos de 1 W; Alguns Amp-Ops são fabricados otimizando: largura de banda; baixos offsets de entrada; baixo ruído. São componentes ativos básicos com os quais podemos construir conversores de formas de onda, osciladores, filtros ativos e outros circuitos. Estrutura básica de Amp-Op Como o Amp-Dif é o primeiro estágio, ele determina as características de entrada. Amp-Ops Símbolo e Circuito Equivalente de um Amp-Op Quando é necessário uma impedância de entrada maior, pode ser obtida utilizado umamp-op BIFET; Que incorpora JFETs e transistores bipolares no mesmo chip; JFETs para estágios de entrada para menores correntes de polarização e de offset de entrada; TBJ para os estágios posteriores para um maior ganho de tensão. 2

3 Amp-Ops Características dos Amp-Ops LF157 é um exemplo de um Amp-Op BIFET. O LM741C é um Amp-Op padrão comercializado desde da década de 1960, sendo o mais barato e mais usado; O 741 tem diferentes versões numeradas como 741, 741A, 741C, 741E e 741N; As diferenças entre elas estão no ganho de tensão, na faixa de temperatura, no nível de ruído e em outras características; Por ser um padrão, usaremos o 741 como dispositivo básico em nossas discussões; Encapsulamentos 3

4 Amp-Dif na Entrada Estágio de entrada é Q 1 eq 2 ; Q 14 é uma fonte de corrente, substitui R E ; Q 13 eq 14 - espelho de corrente; Q 4 - carga ativa, corresponde a R C, atua como fonte de corrente, com uma impedância muito alta; Por isso o ganho de tensão é maior; O sinal amplificado do Amp-Dif aciona a base de Q 5, que é um seguidor de emissor; Esse estágio aumenta a impedância para evitar uma queda no sinal por efeito de carga; Os diodos Q 7 eq 8 são parte da polarização do estágio final; Q 11 é um resistor de carga ativa para Q 6, portanto, Q 6 eq 11 sãocomoumestágioec. Estágio Final O sinal amplificado sai do estágio EC (Q 6 ) e vai para o estágio final, o qual é um seguidor de emissor push-pull classe B (Q 9 eq 10 ); Devido à fonte ser dividida, a saída quiescente é idealmente 0V quando a tensão de entrada é zero; Qualquer desvio do 0 V é denominado tensão de erro de saída. 4

5 Compensação de Frequência Uma pequena capacitância de compensação C c do circuito, devido o efeito Miller, corresponde a uma capacitância equivalente muito maior; A resistência vista pela capacitância Miller é a impedância de saída do Amp-Dif; Portanto, temos um circuito de atraso que produz uma frequência de corte de 10 Hz para um 741. Polarização e Offsets Conforme discutido anteriormente um Amp- Op tem polarização de entrada e offsets que produz um erro de saída quando não existe sinal na entrada; ; O erro devido a corrente de polarização pode ser eliminado usando dois resistores de base iguais; O erro devido a corrente e tensão de offset pode ser eliminado utilizando um potenciômetro quando no CI existe um circuito interno para esse fim; Ou quando não existe, aplicando uma pequena tensão na entrada para cancelar a saída; O circuito interno também minimiza o drift térmico, que é uma variação lenta na tensão de saída causada pela variação de temperatura. 5

6 Razão de Rejeição em Modo Comum Um CMRR de 90 db significa que o sinal desejado é vezes maior que o sinal de modo comum; Saída de Pico a Pico Máxima Atensãov out de um Amp-Op pode ser aproximadamente tão positiva quanto +V CC e tão negativo quanto V EE, antes que o ceifamento ocorra; Corrente de Curto-Circuito Em algumas aplicações, um Amp-Op pode acionar uma resistência de carga de aproximadamente zero; O que produz uma tensão desaída bi baixa. Ganho de Tensão Como o ganho de tensão de um Amp-Op é muito alto, os offsets de entrada podem saturar o Amp; Por isso os circuitos práticos necessitam de componentes externos entre a entrada e saída para estabilizar o ganho de tensão. Resposta em Frequência Ganho para um 741C Slew rate O capacitor de compensação interno do 741 visto anteriormente evita oscilações que poderiam interferirno sinal desejado; Porém existe uma desvantagem, ele precisa ser carregado e descarregado; O que limita a velocidade na mudança da tensão de saída de um Amp-Op; 6

7 Slew rate A inclinação inicial da forma de onda exponencial é o Slew rate, que é a taxa de variação; S R = v out. t Podemos também ter uma limitação de Slew rate com sinal senoidal; Se a onda senoidal de saída for muito pequena ou a frequência for muito baixa, a Slew rate não será problema; Mas quando o sinal for grande e a frequência alta, a Slew rate provocará uma distorção na saída; A maior frequência que pode ser amplificada sem distorção por Slew rate é dada por: f máx = S R. 2πV P Amplificador Inversor Esse circuito usa uma realimentação negativa para estabilizar o ganho de tensão; Realimentação Negativa Se por qualquer motivo a tensão de saída aumenta, a tensão de realimentação oposta reduz v 2 ; Portanto, ainda que o ganho de malha aberta tenha aumento a saída final aumenta muito menos do que ocorreria sem a realimentação. 7

8 Amplificador Inversor Terra Virtual Esse tipo de terra é bastante usado na análise de um amplificador inversor; O conceito é baseado no Amp-Op ideal, o qual estabelece que ganho de tensão e resistência de entrada de um Amp-Op em malha aberta é infinito; O que nos permite deduzir que: Como R in é infinito, i 2 é zero; Como A VOL é infinito, v 2 é zero. Como i 2 é zero a corrente através de R f é igual à corrente de entrada através de R 1 ; Alémdissocomov 2 é zero o terra virtual informa que a entrada inversora atua como terra para tensão, mas um circuito aberto para corrente. Ganho de Tensão entrada v in =i in R 1 saída v out = i in R f Amplificador Inversor portanto o ganho de tensão de malha fechada é: A v(cl) = R f. R 1 Impedância de Entrada Em um amplificador inversor é fácil estabelecer uma impedância de entrada. z in(cl) =R 1 8

9 Largura de Banda Amplificador Inversor A largura de banda em malha aberta ou a frequência de corte de um Amp-Op é muito baixa por causa do capacitor de compensação interna; Exemplo: f 2(CL) = 10 Hz para 741C Quando a realimentação é usada a Largura de Banda aumenta; Quanto maior a realimentação negativa, maior a frequência de corte em malha fechada. f 2(CL) = f unitário. quando A v(cl) >10 A v(cl) +1 temos: f 2(CL) = f unitário. (sem inversão) A v(cl) f unitário =A v(cl) f 2(CL) Amplificador Inversor Polarização e Offsets A realimentação negativa reduz o erro de saída; V erro = A VOL (V 1erro V 2erro V 3erro ) Quandoarealimentaçãonegativa ti é usada: V erro A V(CL) (V 1erro ±V 2erro ±V 3erro ) V 1erro =(R B1 R B2 )I in(bias) Corrente de Polarização de Entrada; V 2erro =(R B1 +R B2 )I in(off) Corrente de Offset de Entrada; 2 V 3erro = V in(off) Tensão de Offset de Entrada; Quando A V(CL) é pequeno o erro de saída total pode ser pequeno o suficiente para ser ignorado; Caso contrário, será necessário um resistor de compensação e cancelamento de offset. R B2 =R 1 R f 9

10 Amplificador Não-Inversor Da mesma forma esse circuito usa realimentação negativa para estabilizar o ganho de tensão total; Ela também aumenta a impedância de entradaediminuiaimpedânciadesaída. Circuito Básico Curto-Circuito Virtual Duas propriedades a seguir de um amp-op ideal: Visto que R in é infinita, as correntes nas duas entradas são zero; Visto que A VOL é infinito, v 1 v 2 é zero. Ganho de Tensão Entrada v in =i 1 R 1 Saída v out =i 1 (R f +R 1 ) Amplificador Não-Inversor Ganho de Tensão A v(cl) =R f +R 1 ou A v(cl) =R f +1 R 1 R 1 A saída está em fase com a entrada. 10

11 Outros Parâmetros Amplificador Não-Inversor A impedância de entrada em malha aberta é alta (2 MΩ para um 741C); A impedância de entrada de malha fechada será maior ainda; Largura de banda: f 2(CL) =f unitário. A v(cl) Quanto menor o ganho de tensão em malha fechada, maior a largura de banda; As tensões de erro são analisadas da mesma forma que no caso do Amp Inversor; A resistência de Thévenin vista pela entrada inversora. R B2 = R 1 R f Para compensar a corrente de polarização de entrada usamos na entrada nãoinversora. R B1 =R B2 Amplificador Não-Inversor Tensão de Erro de Saída Reduz o MPP MPP = a máxima tensão de saída sem ser ceifada; A figura b mostra a tensão de saída sem ser ceifada, 28V; A figura c mostra a tensão de saída com uma redução pela tensão de erro de saída. 11

12 Duas Aplicações do Amp-Op Amplificador Somador É um circuito que soma dois ou mais sinais analógicos em uma única saída; A v1(cl) = R f. A v2(cl) = R f. R 1 R 2 como: i in =i 1 +i 2 =v 1 +v 2 R 1 R 2 Saída v out =(i 1 +i 2 )R f = R f v 1 R f v 2 R 1 R 2 v out =A v1(cl) v 1 +A v2(cl) v 2 Resistência de Thévenin R B2 =R 1 R 2 R f... R n Duas Aplicações do Amp-Op Amplificador Somador Se todos os resistores forem iguais: v out = (v 1 +v v n ) Misturador (mixer), uma maneira conveniente de combinar sinais de áudio em um sistema de áudio de alta fidelidade; Os resistores ajustáveis nos permitem ajustar o nível de cada entrada e o controle de ganho o volume de saída dos dois sinais. 12

13 Seguidor de Tensão Duas Aplicações do Amp-Op É um circuito perfeito porque produz uma tensão de saída exatamente igual à tensão de entrada; Saída v out = v in Ganho de Tensão A v(cl) =1 Largura de Banda f 2(CL) =f unitário Além da vantagem de alta impedância de entrada e baixa impedância de saída; É a interface ideal para uma fonte de alta impedância e uma carga de baixa impedância. 13