AMPLIFICADOR OPERACIONAL. Prof. Dr. Hamilton Klimach

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1 DELET - EE - UFGS Circuits Eletrônics ENG 0077 AMPLFCADO OPEACONAL Prf. Dr. Hamiltn Klimach O que é? Blc analógic de baix cust Amplificadr prnt para us Versátil Eficiente Cm asta gama de aplicações Características Ganh elead Entrada na frma diferencial (amplifica a diferença entre s sinais de duas entradas) Baixa impedância de saída e alta impedância de entrada Emprega realimentaçã para determinar a relaçã entre a entrada e a saída (ganh)

2 Para que sere? Originalmente, AmpOp fi desenlid isand a implementaçã de perações matemáticas sbre s sinais Multiplicaçã pr cnstante (amplificaçã) Sma (subtraçã) Prdut (diisã) ntegraçã (diferenciaçã) Ptência (raiz) Onde é aplicad? Amplificadres em geral Circuits cmparadres de níel Osciladres Filtrs Sensres Amstradres e etentres (sample & hld) Cnersres (ADC e DAC) Outrs...

3 Gerge Philbrick K-W AmpOp (95) Pineirs 5 Pineirs bert Widlar: ua70 - º AmpOp mnlític 6

4 Pineirs Fairchild ua70 (96): º AmpOp mnlític 7 Pineirs Fairchild ua7 (968): º AmpOp cm cmpensaçã interna de frequência (Dae Fullagar) 8

5 Apresentand AmpOp Simblgia e cnexões Dis terminais de entrada (diferencial) Um terminal de saída (geralmente) Dis terminais de alimentaçã (simétrica) Geralmente, nã apresenta cnexã de terra Entradas Saída Fntes de Alimentaçã 9 AmpOp deal x eal AMPLFCADO OPEACONAL DEAL -Ganh diferencial infinit (Ad) -mpedância de entrada infinita (i) -mpedância de saída zer () AMPLFCADO OPEACONAL EAL -Ganh diferencial alt (Ad: a ) -mpedância de entrada alta (i: 50 kω a 5 MΩ) -mpedância de saída baixa (: 0 Ω a 00 Ω) 0

6 Estrutura nterna Mdel Linear deal

7 epresentaçã de Sinais epresentaçã de dis sinais V e V atraés da superpsiçã de dis sinais, um diferencial (Vd) e utr de md cmum (Vcm) d cm d cm d cm Amplificadres Operacinais Aplicações

8 Amplificadr nersr A.O. ideal OpAmp ideal cm ganh infinit Crrente de entrada 0 Cnfiguraçã nersra esistência de Entrada nfinita 5 Exercíci - Amplificadr nersr Calcule a expressã analítica d ganh d amplificadr abaix. OpAmp ideal cm ganh infinit Vantagem: perar cm alt ganh empregand resistres de realimentaçã nã eleads! 6

9 Exercíci - Amplificadr nersr Para circuit abaix determine s alres de, i, i,, i L e i. Determine ganh de tensã / i, ganh de crrente i L /i i e ganh de ptência P L /P i (cnsidere A ) OpAmp deal cm ganh infinit 7 Amplificadr Smadr Pnderad Permite a sma de sinais cm diferentes pess OpAmp deal cm ganh infinit 8

10 Amplificadr Smadr/Subtratr Permite a sma de sinais cm pess psitis (nã inersr) e negatis (inersr) Qual a expressã de? Cas clássic d empreg d terema da superpsiçã de efeit para determinaçã de! 9 Amplificadr Nã-nersr Cnfiguraçã Nã nersra Cnfiguraçã nersra Quais sã as diferenças entre as duas tplgias? 0

11 Amplificadr Nã-nersr Seqüência de Análise Cnsiderand cm OpAmp ideal:. O Ganh infinit d OpAmp implica em tensã diferencial 0. A tensã na entrada + é replicada para a entrada - (tensã diferencial 0 ). Calcula-se a crrente em. Crrente de entrada igual a 0 5. A crrente em é igual a Buffer u Seguidr de Tensã Cas particular d amplificadr nã inersr Tem ganh unitári Tem pr finalidade islar a fnte de sinal da carga Tem resistência de entrada infinita (deal) Tem resistência de saída 0 (deal) Circuit Mdel Elétric

12 Exercíci Determine a expressã da tensã de saída em funçã das tensões de entrada e (funçã de transferência d circuit). Amplificadr Subtratr Análise pr Superpsiçã Efeit de Efeit de

13 5 Amplificadr Subtratr Análise pr Superpsiçã Efeit de Efeit de 0 0 Fazend 6 Amplificadr Subtratr Análise d efeit da tensã de Md Cmum - CM 0 Se CM d CM CM CM CM CM A A A CM = A d /A CM

14 Amplif. de nstrumentaçã Cnfiguraçã nicial Cnfiguraçã Melhrada Versã nicial:. A tensã de md cmum tem mesm ganh que a tensã diferencial n primeir estági. O Segund Estági é respnsáel pel CM Versã Melhrada:. A tensã de md cmum nã é amplificada (Gcm = ) n primeir estági, diminui a relaçã Vcm/Vd. O Segund Estági é respnsáel pel CM 7 Amplif. de nstrumentaçã Cálcul da funçã de transferência Para prmer a ariaçã de ganh resistr pde ser substituíd pel cnjunt a lad. 8

15 Amplificadres Operacinais Nã-dealidades Características e Limitações eais 9 Amplificadr Linear deal V CC AMPL sinal i O L A V i Amplificadr de tensã excitad cm um sinal (t) e cnectad a uma carga resistia L Característica de transferência de um amplificadr linear de tensã cm ganh de tensã A. 0

16 Amplificadr eal V CC AMPL sinal i O L A V AV AV i, L, V V L, T, V i V CC f, T, V,... CC,... Há uma parcela na saída que independe da entrada O ganh A depende d sinal (amplitude e frequência), da alimentaçã, da temperatura, da carga, etc A dependência de A. cm a frequência d sinal pssui partes linear e nã-linear Mdel de um AmpOp Mdel de um AmpOp real

17 Especificações de um AmpOp Especificações de um AmpOp real??? Limitações Estáticas - DC

18 Tips de Características Estáticas As características estáticas principais de um AmpOp sã: Ganh diferencial finit Tensã de ff-set Crrentes de plarizaçã de entrada 5 Amplificadr nersr Ganh finit Efeit d ganh diferencial finit n ganh d amplificadr (realimentad) OpAmp ideal cm ganh finit A i A i d i A d A d 6

19 Amplificadr nersr Ganh finit Efeit d ganh diferencial finit n ganh d amplificadr (realimentad) Supnd: = 00 k = k A d Ad α Err de Ganh 0 % ,000 0,0 % ,00 0, % 0.000,0 %.000, 0 % 7 Mdel para V s Tensã de Offset de Entrada - d + OpAmp cm V s de 5 mv dealmente, para entrada diferencial igual a zer a saída deeria ser zer ealmente, uma tensã surge na saída quand as entradas sã iguais, deid a desequilíbris interns ns blcs que cmpõem A. O. Aplicand-se uma tensã diferencial às entradas pde-se zerar a saída! Esta tensã é chamada de tensã de ffset de entrada V s 8

20 Efeit de V s Amplificadr nã inersr: efeit de Vs na saída 9 Efeit de V s Uma pçã para crreçã de ff-set (zerament) Lembrar que Vs é muit dependente da temperatura!!! 0

21 Distribuiçã Estatística de V s Simulaçã Mnte Carl da tensã de ff-set de um amplificadr peracinal Miller CMOS. O histgrama apresenta a distribuiçã desta tensã sbre 000 amstras, em interals de 0,5 mv. O desipadrã calculad é, mv. A cura tracejada é a sua aprximaçã Gaussiana. O alr infrmad cm Vs máxim de um AmpOp representa limite da faixa σ (99,7% - neste exempl é 6, mv). Crrentes de Plarizaçã Mdel para B dealmente seriam 0 esultam da necessidade de plarizaçã ds transistres de entrada Crrentes de plarizaçã de cada entrada: B+ e B- N data sheet: Crrente de plarizaçã das entradas ( B ): representa a média das crrentes nas duas entradas Crrente de ff-set ( OS ): representa a diferença entre as crrentes nas duas entradas

22 Efeit de B eduzind s efeits de b pel us de. Efeit de B Fazend-se OS B B OS B B B B B B B B Crrente de Offset

23 Características Dinâmicas - AC 5 Tips de Características Dinâmicas As características dinâmicas de um AmpOp pdem ser classificadas cm: Limitações nã-lineares (p. ex. limites de excursã, Slew-rate) Limitações lineares (p. ex. Largura de Banda) uíd ntern u ntrínsec 6

24 Excursã Máxima de Saída Amplificadr nã inersr cm ganh A = 0 A. O. utilizad satura a saída em ±V (limitad pela alimentaçã de ± 5V) Máxima amplitude de sinal de entrada para peraçã linear? e: i(máx) =,Vp! Efeit nã-linear: CAUSA DSTOÇÃO!!! 7 Slew ate da Saída S Seguidr de Tensã G= Excitaçã de entrada Salt Limitad pel BW - Linear Limitad pel S d OpAmp Nã Linear Amplitude V suficientemente pequena! eta Expnencial 8

25 Slew ate da Saída S Efeit d S na limitaçã da respsta para sinais senidais Efeit nã-linear: CAUSA DSTOÇÃO!!! 9 Largura de Banda BW Mdel de pól dminante Efeit linear: NÃO CAUSA DSTOÇÃO!!! Ganh diferencial DC (u de Laç Abert) 50

26 Largura de Banda BW Limitaçã de largura de Banda A largura de banda é medida quand ganh cai -db O ganh em laç abert (sem realimentaçã) tem uma banda plana muit estreita A sb realimentaçã negatia amplia a largura de banda plana d amplificadr MAS ganh é reduzid!!! 5 uíd intern n e i n Deid à natureza discreta da matéria (crrente elétrica) Tips de ruíd: Térmic: funçã da Temperatura Balístic (sht): funçã de junções semicndutras Flicker (/f): funçã de defeits estruturais d semicndutr Flicker Térmic + Sht 5

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