Projetando com Realimentação

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1 Slide 1 Projetando com Realimentação rede de realimentação Entrada negativa Entrada positiva saída Nas entradas, a corrente de entrada controla a proporção de cada entrada. Quanto menor for o resistor, mais importante é a entrada Introdução aos Amplificadores Operacionais 1 A pergunta no final da última aula foi como projetar com realimentação. Veremos alguns exemplos, mas concentremo-nos nos essenciais. A entrada não-inversora pode coletar qualquer número de sinais, e estes serão adicionados à saída. A entrada inversora também pode coletar qualquer número de sinais, e estes serão subtraídos na saída. A importância de qualquer sinal é determinada pela corrente daquele sinal em qualquer entrada (lembre-se de que a entrada tem uma impedância constante e, portanto, a corrente controla a tensão interna). A rede de realimentação configura o ganho global.

2 Slide 2 A realimentação determina o ganho #1 Se independente de freqüência (um resistor), então configura o ganho para todos os formatos de onda. Se dependente da freqüência (capacitor, indutor, filtro), configuramos o ganho independentemente para cada componente de freqüência. passa apenas 1 freqüência realimentação forte na freqüência de ressonância e, dessa forma, suprime-a na saída Introdução aos Amplificadores Operacionais 2 É evidente que a realimentação configura um ganho constante de freqüência se ela é composta de um componente independente de freqüência (um resistor). Se a alça de realimentação é freqüência - dependente, então o ganho irá variar com a freqüência. No exemplo acima, o resistor configura o ganho para a maioria das freqüências, mas o circuito LC é curto em ressonância (2π/LC) e, dessa forma, esse componente de freqüência é suprimido. Observe que, quando a corrente de realimentação é aumentada, o ganho é reduzido.

3 Slide 3 A realimentação determina o ganho #2 bloqueia apenas freqüência de ressonância A realimentação é R, exceto na freqüência de ressonância, onde ela é feita mais alta. Essa seletividade amplifica a freqüência de ressonância. Pode amplificar por adição/subtração, e faz isso seletivamente da entrada e seletivamente da freqüência Introdução aos Amplificadores Operacionais e3 Aqui, conseguimos exatamente o contrário, o circuito de ressonância suprime a freqüência de ressonância (passa todas as outras) e, portanto, a corrente de realimentação é suprimida na freqüência de ressonância e, dessa forma, o ganho é mais alto aí.

4 Slide 4 Amplificador somador Se entã o Use a regra que diz que a corrente I - é zero. Para evitar erros de desvio, coloque R = R 1 R 2 R F para gnd da entrada não-inversora Introdução aos Amplificadores Operacionais 1 O amplificador somador é uma versão ligeiramente mais complicada do amplificador inversor, mas agora existem duas fontes de tensão contribuindo para a entrada. Mais uma vez, precisamos simplesmente que a soma das correntes na entrada inversora seja zero, e usaremos a álgebra para mostrar que isso na verdade atua na soma das entradas. Observe que os respectivos resistores determinam como cada tensão contribui e a razão de resistor de realimentação para os resistores de entrada fornece o ganho.

5 Slide 5 Amplificador substrator Agora devemos usar as duas regras, (1)V + - V - é igual a zero, e (2) que a corrente I - é zero Introdução aos Amplificadores Operacionais 5 Aqui, desejamos observar a diferença das duas entradas (exatamente o que um amplif. operacional deve fazer), mas com um ganho mais baixo do que o que seria observado se alimentássemos o amplif. operacional diretamente. Para analisar isso, usamos as duas regras (1) de que a corrente na entrada inversora é zero, e (2) que as tensões são iguais. Observe que, nesse caso, quando calculamos as correntes, não podemos assumir que a tensão no amplif. operacional seja zero (nada é puxado à terra nesse caso). Portanto, no cálculo da corrente na entrada inversora, introduzimos a tensão inversora como um parâmetro livre. É evidente que isso será configurado posteriormente para a tensão na entrada nãoinversora, que é conhecida.

6 Slide 6 Integrador exemplo de formato de onda A constante de tempo é 1/RC. C é dependente da freqüência retroalimentação, Z=-1/ωC. Use a regra que diz que a corrente I - é zero. O resistor de realimentação fornece um caminho CC para estabilidade Introdução aos Amplificadores Operacionais 6 Um integrador mostra o que podemos conseguir com uma realimentação dependente de freqüência. Nesse caso o caminho de realimentação, você deve estar atento ao capacitor (o resistor de 10 MΩ é incluído para fornecer um caminho de realimentação para sinais CC e, dessa forma, fornecer estabilidade para o amplif. operacional esqueça isso por enquanto). Uma forma de se pensar nisso é imaginar que o capacitor carrega e fornece um desvio de tensão entre a saída e a entrada. A razão de carga depende da constante de tempo RC. Mais uma vez, o circuito é analisado configurando-se as correntes iguais e então integrando-as para descobrir a tensão de saída. À medida que R ou C é aumentado, a razão de carga diminui.

7 Slide 7 Integrador Assuma que a forma de onda é mais complexa, e que queremos integrar por um período fixo de tempo e então reiniciar o integrador e começar novamente. 1. O que é necessário fazer com o circuito para reiniciar o integrador? 2. Usando um JFET, como você faz isso? Introdução aos Amplificadores Operacionais 7 Apenas um problema para refletir e ajudar você a se lembrar que os JFETs são dispositivos úteis também. Na verdade, para essa aplicação, um MOSFET ou JFET é muito melhor que um BJT.

8 Slide 8 Diferenciador exemplo de formato de onda Use a regra que diz que a corrente I - é zero. O capacitor de realimentação fornece um caminho de alta freqüência para estabilidade. Observe que, a altas freqüências, ele se torna um integrador Introdução aos Amplificadores Operacionais 8 O diferenciador tem o capacitor na entrada com um resistor de realimentação. Mais uma vez, observamos as correntes correspondentes indo para a entrada inversora, e vemos que a tensão de saída é derivada da tensão de entrada. Mais uma vez, a constante de tempo é simplesmente a constante de tempo RC. O capacitor de 100 pf fornece estabilidade de alta freqüência (evita a oscilação do circuito).

9 Slide 9 Observe os valores de V ent necessários para V + =0 Realimentação positiva Realimentação positiva significa que o amplif. operacional está saturado e, portanto, não podemos usar as mesmas regras que usamos para realimentação negativa. Lembre-se de que as regras de realimentação negativa foram desenvolvidas porque o amplif. operacional encontrou um ponto operacional equilibrado: esse não é mais o caso Introdução aos Amplificadores Operacionais 9 A realimentação positiva impulsiona o amplif. operacional à saturação mais rápido do que normalmente iria. Observe que parte da saída é alimentada para a entrada não-inversora.

10 Slide 10 Realimentação Positiva A realimentação positiva impulsiona o amplif. operacional à saturação com mais força. Observe os valores de V ent necessários para V + = Introdução aos Amplificadores Operacionais 1 Aqui temos outro exemplo de histerese. Explicarei isso no quadro e distribuirei outra página de notas. O conceito de histerese é observado nas propriedades de comutação. Quando a saída está saturada a +Vcc, a tensão de entrada deve ser levada para baixo até R1/R2 Vcc para comutar, mas quando a saída é Vcc, a entrada comuta a +R1/R2. Portanto, entre esses dois pontos de comutação, não sabemos (simplesmente olhando para V ent ) se a saída é positiva ou negativa isso depende do histórico. O slide está mal feito, portanto vejam as notas que eu entregarei até o final deste tópico.

11 Slide 11 Realimentação Positiva Observe que, essencialmente, não há corrente em V +. A corrente através dos resistores é e a queda de tensão através de R 2 é a tensão em V + é Queremos descobrir V ent quando V + =0 (entãov + = V - ) Introdução aos Amplificadores Operacionais 1

12 Slide 12 Uma figura circuito interno do Amplificador Operacional Diagrama Esquemático esquema retirado das folhas de dados do 741 na página do National Semiconductor na Internet. amp. diferencial amp. de tensão de alto ganho amp. de saída de baixa impedância Introdução aos Amplificadores Operacionais 12 Um esquema simplificado circuito interno, modelo 741. Não é fácil passar por esse ponto, mas, com as seções identificadas, você vai conseguir ter uma idéia.

13 Slide 13 Especificações do amplif. operacional CMRR razão de rejeição de modo comum. Os amplif. operacionals também amplificam a média de V + + V -, CMRR mede a atenuação disso. Ganho de tensão (A V ) tipicamente 10 4 a 10 6 (80 a 120 db). Taxa de subida Taxa máxima de mudança da tensão de saída com o passar do tempo. Freqüência de ganho unitário (f T ) = freqüência na qual o ganho cai para 1. Corrente de saída corrente máxima que o amplif. operacional pode fornecer Introdução aos Amplificadores Operacionais 13 Características para se pensar ao escolher o amplif. operacional. Existem várias opções, com projetos otimizados para: (1) linearidade (2) velocidade de comutação (3) aplicações de alta freqüência (4) baixos sinais de modo comum (5) faixas de potência

14 Slide 14 Especificações típicas de amplif. operacionais tensão de fornecimento corrente de fornecimento desvio de tensão Slew-rate f T CMRR ganho corrente de saída dispositivo mín (V) máx (V) ma mv V/µs MHz db db ma 741C bipolar ,8 2 0,5 1, MOSFET CA3420A ,5 0, JFET LF ,4 0, LM10 bipolar ,4 0,3 0,12 0, Introdução aos Amplificadores Operacionais 14 Alguns exemplos comuns de amplif. operacionals. O laboratório usa o 741.

15 Slide 15 Compensação de desvio Ajuste de tensão de desvio de entrada. entrada + entrada - saída desvio nulo entrada - entrada + desvio nulo saída Junte as entradas em curto-circuito e ajuste o potenciômetro para zero na saída Introdução aos Amplificadores Operacionais 15 Existem pinos adicionais no 741 para ajustes e desvio nulo. Este pode ser usado para corrigir nãocorrespondências entre correntes nas entradas, então, se as cargas da fonte não forem as mesmas, você pode remover a polarização do amplif. operacional dessa forma.

16 Slide 16 Compensação de desvio Ajuste de tensão de desvio de entrada. A corrente de polarização de entrada (-) introduz um desvio de tensão de saída. A resistência de compensação equilibra isso. Não é necessário com amplif. operacionais FET (pa), mas importante para dispositivos bipolares (na) Introdução aos Amplificadores Operacionais 16 Esse é um método melhor para corrigir polarização de desvio. Já que dispositivos FET possuem correntes de entrada bastante baixas isso raramente é necessário, mas com dispositivos BJT os desvios são facilmente observados.

17 Slide 17 Largura de banda de potência do amplif. operacional É a slew-rate que determina a largura de banda de potência de um amplif. operacional, então, reduzindo-se a ganho de um amplificador, é possível aumentar a respostas de freqüência. f máx = slew-rate. 2π tensão de saída de pico Portanto, para uma slew-rate de 5V/µs e uma tensão de saída de pico de 10 V, a freqüência máxima de uma onda senoidal não-distorcida é de 80 khz Introdução aos Amplificadores Operacionais 17 A slew-rate reporta as propriedades dinâmicas de um amplif. operacional (a velocidade com que a saída pode variar). Já que isso é mais bem relatado em volts/tempo, ele não fornece diretamente um limite na freqüência. Contudo, em combinação com o tamanho do sinal de saída, fornece um limite.

18 Entre no site do fabricante para obter um manual dos produtos. Favor seguir estas etapas: 1. Vá para o site de National Semiconductor: 2. Veja as condições de uso do site, visitando o link Site Terms and Conditions of Use da página inicial, ou entrando neste link: 3. Volte à página inicial. 4. Na caixa de busca, digite o número do produto (LM741) de um Amplificador Operacional específico, e clique em go. 5. Várias opções serão apresentadas a você (por exemplo, visualizar online, download PDF ou ). Selecione o meio pelo qual você gostaria de receber o manual.

19 Slide 23 Amplificad or de erro não-reg rede de Amostragem de Saída Introdução aos Amplificadores Operacionais 23 Aqui, um amplif. operacional é usado como regulador de tensão. O circuito básico que vimos anteriormente com o zener alimentando diretamente o BJT. Com o amplif. operacional, vemos que há um caminho de realimentação (portanto podemos usar as regras de realimentação). As tensões nas duas entradas devem ser as mesmas, portanto a entrada inversora tem a tensão de zener através dela. Já que a impedância de entrada no amplif. operacional é muito alta, a corrente através de R1 é a mesma que a que passa por R2, e a tensão de saída é mantida como aquela mostrada na figura.

20 Slide 24 Projetando com Realimentação não-reg Amplificado r de erro Controle de derivação rede de Amostrage m de Saída Introdução aos Amplificadores Operacionais 24 Aqui está uma versão ligeiramente mais complicada do mesmo circuito. Identifique o caminho de realimentação e diga por que Rs é importante.

21 Slide 25 Drivers de Saída Aqui, a carga está ligada ou desligada. Assim, é útil empregar uma alimentação de lado único. Escolha o resistor para fornecer a corrente correta para o dispositivo. vibrador Introdução aos Amplificadores Operacionais 25 Um amplif. operacional atuando como um comutador.

22 Slide 26 Drivers de Saída R carga Nos casos em que mais potência é necessária, o amplif. operacional pode alimentar um transistor (ou FET). O diodo de base evita ruptura reversa de base-emissor Introdução aos Amplificadores Operacionais 26

23 Slide 27 Drivers de Saída TTL Os amplif. operacionals também são úteis para fazer a interface para eletrônica digital, o resistor de 10 k atua como um resistor de elevação razão de virada ( pull-up ) Introdução aos Amplificadores Operacionais 27

24 Slide 28 Comparadores múltiplos A tensão de referência dos comparadores aumenta à medida que você sobe pela lista. O resistor variável determina a faixa. Os LEDs se acendem à medida que o comparador correspondente é ligado Introdução aos Amplificadores Operacionais 28

25 Slide 29 Drivers potência CA Um par de transistores pode fornecer uma fonte de corrente maior que o amplif. operacional típico. Observe que o elo de realimentação inclui o par de transistores Introdução aos Amplificadores Operacionais 29

26 Slide 30 Conversor de tensão para corrente Nós já vimos o amplificador não-inversor e descobrimos que ele tem um ganho de: A corrente é, portanto: Assim, ajustando-se V ent, é possível configurar a corrente através da carga Introdução aos Amplificadores Operacionais 30

27 Slide 31 Conversor de corrente para tensão Exploramos o amplificador inversor para uma fonte de tensão. A situação é bastante semelhante para uma fonte de corrente. O resistor de realimentação ajusta a proporcionalidade entre a corrente de entrada e a tensão de saída Introdução aos Amplificadores Operacionais 31

28 Slide 32 Amplif. operacional de ganho programável O CMOS IC 4066 é um conjunto de comutadores bilaterais controlados digitalmente. Assim, com 4 bits, é possível selecionar uma variedade de resistores de realimentação. A resistência de realimentação efetiva é a combinação paralela de todas as selecionadas. Um conjunto conveniente de valores de resistor está na razão de 1 : 2 : 4 : 8 para selecionar (1-15) Introdução aos Amplificadores Operacionais 32

29 Slide 33 Amostra e retenção Amostra uma tensão e a retém, de forma que se possa fazer uma medição precisa. amostra Ligar o MOSFET permite ao capacitor carregar (com uma constante de tempo 1/RC). Quando o FET está aberto, o capacitor retém sua carga (exceto por fuga para a entrada não-inversora), e essa tensão é reproduzida na saída. Use um amplif. operacional MOSFET para ter uma corrente de fuga baixa Introdução aos Amplificadores Operacionais 1

30 Slide 34 Detector de pico reiniciar O diodo permite ao capacitor amostrar o valor mais alto da tensão de entrada. Assim, a saída é a tensão de entrada máxima desde a última reinicialização. Observe que a alça de realimentação do amortecedor inclui o diodo, isso remove a queda de 0,6V que, do contrário, seria observada Introdução aos Amplificadores Operacionais 1