Tecnologia em Automação Industrial ELETRÔNICA II. Aula 11 Amplificadores Operacionais. Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

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1 Tecnologia em Automação Industrial ELETRÔNICA II Aula 11 Amplificadores Operacionais Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

2 AMPLIFICADORES OPERACIONAIS Amplificador operacional. Arquitetura interna. Amplificador ideal x Amplificador real. Características elétricas. Tensão de offset, slew-rate, saturação, rise-time, overshoot, CMRR 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

3 LM 741

4 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

5 AMP-OP básico Entradas 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. Saída V o : Tensão de saída Alimentação +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

6 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.

7 TIPOS Há dezenas de milhares de diferentes tipos de Cis amp-ops disponíveis para praticamente qualquer aplicação. Todos os amp-ops operam da mesma forma, de forma que, conhecendo um, compreenderemos os outros. Novos amp-ops são classificados e otimizados para uma ou duas características importantes, como precisão, largura de banda ampla, baixo consumo de energia, baixo ruído, fontes de erro mínimas, taxa de variação, níveis de tensão de saída ou potência de saída. Em 1965 a Fairchild Semiconductor apresentou o μa709, o primeiro amp-op monolítico amplamente utilizado. Embora amp-ops bipolares ainda são utilizados, foram substituídos principalmente pelos mais recentes amp-ops bipolar BIFET e CMOS. Ambos oferecem as impedâncias de entrada superaltas dos FETs, ideais para amp-ops. Os mais recentes amp-op FET também tendem a ter correntes de polarização mais baixas e offtsets de tensões, e correntes que levam a menos erros e circuitos mais simples. Quando é necessária maior resistência de entrada, pode ser usado um amp-op BIFET, que incorpora JFETs e transistores bipolares no mesmo chip. Os JFETs são utilizados nos estágios de entrada para obter menores correntes de polarização e de offset de entrada Os transistores bipolares são utilizados nos estágios posteriores para obter mais ganho de tensão Ao longo dos anos, os tamanhos dos transistores diminuíram, proporcionando frequências de operação mais altas e um ganho-largura de banda (GBW) mais amplo Os amp-ops com GBW unitário de centenas de MHz estão prontamente disponíveis. Amp-op CMOS consomem muito menos potência.

8 LM741 Clássico, disponível desde a década de 1960 tem ganho de tensão em malha aberta de tem frequência de ganho unitário de 1MHz, ou seja, podemos obter ganho de tensão utilizável em uma frequência tão alta quanto 1MHz. Tem resistência de entrada de 2MΩ Tem resistência de saída de 75Ω Corrente de polarização de entrada de 80nA, corrente de offset de entrada de 20nA Tensão de offset de entrada de 2mV CMRR de 90dB Se tornou padrão na indústria, é de baixo custo, muito utilizado para aprendizagem. Duas fontes de alimentação com relação ao terra, uma positiva (+V CC ) e outra negativa (-V EE ) Não há nenhum pino terra no CI O terra é formado na junção das duas fontes de alimentação. Todas as entradas e saídas são referenciadas a esse terra Permitem que a saída varia de forma positiva e negativa, ou seja, acima e abaixo do terra.

9 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 a uma variação de tensão na entrada é a máxima taxa de variação da tensão de saída por unidade de tempo (da ordem de 0,5 V/us para 741)

10 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 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)

11 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS Tensão de OFFSET de entrada (V i offset) e Tensão de OFFSET de saída (V o offset) V i(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 V BE1 V BE2. A diferença (em módulo) entre os valores de V BE é denominada tensão de offset de entrada : V i(offset) = V BE2 V BE1 V i(offset) 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 ) (V o(offset) ) O cancelamento ou balanceamento de V o(offset) 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. V o(offset) = 1 + R f R 1 V i(offset)

12 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 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 CMRR(dB) = 20log A v diferencial A v modo comum

13 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS Ganho de tensão de modo diferencial: V 0 = A v diferencial V 2 V 1 Ganho de tensão de modo comum V 0 = A v modo comum V c CMRR = A v diferencial A v modo comum CMRR(dB) = 20log A v diferencial A v modo comum

14 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS Na prática, um amp-op de alta qualidade deve apresentar um valor para CMRR de, no mínimo 100dB (por exemplo, o LM725 e o LH0036 da National, denominados amp-ops de instrumentação ou de precisão). O amp-op 741 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-op 741. 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).

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

16 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

17 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.

18 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...

19 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

20 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.