ELECTRÓNICA FUNDAMENTAL

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1 ESCOLA SECUNDÁRIA RAINHA SANTA ISABEL ESTREMOZ CURSO PROFISSIONAL TGEI PR0FESSOR JOAQUIM VIEIRA 1

2 Amplificadores Operacionais Derivam dos amplificadores diferenciais simples e têm um conjunto de melhoramentos (Ganhos elevados, robustez ao ruído e à temperatura, resposta em frequência melhorada,...) Normalmente vêm em circuitos integrados, como o A741 J.Vieira 2

3 AMPOPs 741 NO MERCADO Estes c.i. são equivalentes? J.Vieira 3

4 AMPOPs 741 NO MERCADO IDENTIFICAÇÃO XY (ABC)D EF SUFIXO 1 a 2 letras D Gama de temperaturas (ABC) 3 a 7 números e/ou letras PREFIXO conjunto de letras que identificam o fabricante J.Vieira 4

5 AMPOPs 741 NO MERCADO Identificação XY (ABC)D EF (ABC) 3 a 7 números e/ou letras SUFIXO (EF) 1 a 2 letras D Gama de temperaturas C comercial 0 a 70ºC I Industrial -25 a 85ºC M Militar -55 a 125ºC D Plástico (CI) J Cerâmico N,P Plástico para socket J.Vieira 5

6 AMPOPs 741 NO MERCADO A 741 C P Fairchild Tipo de ampop (circuito) Gama Comercial (0-70ºC) Cápsula plástica Código dos C.I. J.Vieira 6

7 Amplificador operacional O amplificador operacional pode ser definido como um amplificador com entrada diferencial cujas características se aproximam de um amplificador ideal. Em que v 1 V d V 0 v 2 A V V0 V V 1 2 V 0 = tensão de saída V 1 = tensão não inversora (+) V 2 = tensão inversora (-) V d = tensão diferencial (V 1 -V 2 ) Av - ganho de tensão em malha aberta (ganho sem realimentação) J.Vieira 7

8 Amplificador operacional 741 Encapsulamentos v 1 V d v 2 V 0 1 Ajuste de offset 2 Entrada inversora 3 Entrada não inversora 4 - V CC 5 Ajuste da tensão de offset 6 Saída 7 +V CC 8 NC (Não Conectado) J.Vieira 8

9 Alimentação do amplificador operacional Alimentação dupla (+/Gnd/-) Alimentação Bipolar(Dual Supply) Alimentação simples (+/Gnd) Alimentação Unipolar (Single Supply) J.Vieira 9

10 Alimentação do amplificador operacional J.Vieira 10

11 Alimentação do amplificador operacional 741 UEE Ucc J.Vieira 11

12 Alimentação do amplificador operacional 741 +V CC - + v o -V CC W/V J.Vieira 12

13 Alimentação do amplificador operacional 741 J.Vieira 13

14 Alimentação do amplificador operacional 741 OUTRAS FORMAS ALTERNATIVAS Á UTILIZAÇÃO DE DUAS FONTES J.Vieira 14

15 AMPOP 741 Amp. dif.iferencial Amplificador Amp. saída Amplificador diferencial U 0 AU U1 U2 A U U0 U U 1 2 J.Vieira 15

16 Esquema equivalente do ampop Em que: V1 - tensão aplicada na entrada não inversora. V2 - tensão aplicada na entrada inversora. Vi = V1 V2 Ri - resistência de entrada. RO - resistência de saída. Av - ganho de tensão em malha aberta (ganho sem realimentação) J.Vieira 16

17 Esquema equivalente do ampop ideal Em que: V1 - tensão aplicada na entrada não inversora. V2 - tensão aplicada na entrada inversora. Vi = V1 V2 Av - ganho de tensão em malha aberta (ganho sem realimentação) J.Vieira 17

18 Características do Amplificador Operacional ideal -Ganho de tensão em malha aberta infinito (Av= ) V 2 -V 1 =V 0 /A V =0 A V = -Impedância de entrada de entrada infinita (ri = ) Não consome corrente -Impedância de saída nula ( r 0 = 0) Mantém o valor da saída para qualquer carga -Largura de Banda infinita -Tensão de offset na entrada igual a zero (U i = U 1 = U 2 = 0 U 0 =0) -Slew rate infinito Saída nunca saturada para qualquer variação da entrada - Rejeição de Modo Comum infinito J.Vieira 18

19 Características do Amplificador Operacional ideal J.Vieira 19

20 Algumas características do Amplificador Operacional real NOÇÃ0 DE db J.Vieira 20

21 RESISTÊNCIA versus FREQUÊNCIA J.Vieira 21

22 RESISTÊNCIA versus FREQUÊNCIA J.Vieira 22

23 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Tensão máx fornecida pelo ampop em função da carga +Ucc v 1 V d v 2 U V 0 0 AU U1 U2 -UEE U PP, máx U CC U EE A tensão de saída está sempre limitada pelas duas tensões de alimentação Ucc e -UEE J.Vieira 23

24 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Tensão máx fornecida pelo ampop em função da carga +Ucc Uppmáx - UEE U 0 AU U1 U2 Pr 1 U PP, máx U CC U EE A tensão de saída está sempre limitada pelas duas tensões de alimentação Ucc e -UEE J.Vieira 24

25 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL TENSÕES DE SATURAÇÃO Tensões limites, máxima e mínima, que o AMPOP pode fornecer na saída + VSAT VCC VSAT VEE - 2 J.Vieira 25

26 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Corrente de curto-circuito (Isc Short Circuit Output Current) Exemplo Isc Corrente de c.c. é a corrente máx que o ampop pode fornecer na saída Ampop 741 Isc = 25 ma U0 depende da carga Se RL = 75W U0 75 x = 1,88 V Se RL = 47W U0 47 x = 1,18 V Se RL = 0W U0 = 0 x = 0 V Nota Imáx é muito pequena, brevemente iremos aprender a solucionar este problema. Um led ligado no mín. consome 10 ma J.Vieira 26

27 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Largura de banda em malha aberta fc 20 db por década L.B. (A741 em malha aberta) =10Hz 0Hz a 10Hz funitário fc = 10 Hz atenuação (perda) = 3 db perda de 30% do ganho máx. U 0 U máx 2 Ganho unitário funitária = 1 MHz Ui=U0 db=0 fmáx que se pode aplicar sem perda de tensão em relação à entrada J.Vieira 27

28 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Largura de banda em malha aberta Chama-se década a cada um dos intervalos: [1,10] [10,100] [100, 1000] Hz fc 20 db por década Em potência base funitário fc = 10HZ o ganho perde 20dB por década a partir deste valor perda de ganho de 10 relativo à década anterior J.Vieira 28

29 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Largura de banda em malha aberta f UNITÁRIA A V f 1MHz 1MHz 1MHz *10Hz 10000*100Hz 100*10000Hz J.Vieira 29

30 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Slew Rate (Taxa de Variação da Tensão de Saída) Slew rate (Sr) dá a capacidade do AmpOp responder a variações na entrada Sr é expresso em Volts por microsegundo Sr (A741) = 0,5 V/s Para realizar uma variação de 10 V 10V 0,5s 20s J.Vieira 30

31 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Slew Rate (Taxa de Variação da Tensão de Saída) S R =V S /t f máx SR 2 π U P Em que: fmáx- frequência máx que não provoca distorção na saída Up Tensão a aplicar ao ampop Sr - Slew Rate (V/s) Esta frequência define a L.B. do ampop sem distorção na saída, para cada nível de tensão aplicada na entrada J.Vieira 31

32 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Slew Rate (Taxa de Variação da Tensão de Saída) SAÍDA ENTRADA Sr>0.5 V/s Saida saturada f máx SR 2 π U P S R =V S /t Sr (A741) = 0,5 V/s ENTRADA Sr<0.5 V/s UO RESPOSTA IDEAL saída sem distorção RESPOSTA REAL SIMULADOR SAÍDA t J.Vieira 32

33 Exemplo S R =V S /t S R = 2V/1μs = 2v/μs ou S R = 4V/2μs = 2V/μs J.Vieira 33

34 Exemplo (continuação) S R =V S /t S R = 2V/1μs = 2v/μs ou S R = 4V/2μs = 2V/μs A tensão de saída não pode variar mais rapidamente do que 2V a cada 1μs. Caso o sinal de entrada seja mais rápido, a saída não responderá. Como consequência o sinal na saída é distorcido. Pr 2, 3 e 4 J.Vieira 34

35 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Correntes de polarização 12 n I b I I 2 Corrente de polarização méia ( input bias current) I d I I Corrente diferencial de entrada (input difference current) Origina a tensão de offset Inconveniente É necessário equilibrar as corrente I+ e I- R3 = R1//R2 J.Vieira 35

36 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Correntes de polarização Vs 0 Vs= 0 Colocar entre a entrada não-inversora e a massa, R P = R 1 //R 2, esta será percorrida por uma corrente IB1 igual a IB2 ( na suposição de transistores de entrada iguais) gerando a mesma tensão, anulando o efeito da tensão na outra entrada e consequentemente anulando a saída. J.Vieira 36

37 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Tensão de Offset A tensão de offset de saída é causada pelo descasamento dos transistor no primeiro par diferencial na entrada de um AO. A tensão de offset é uma tensão residual que surge na saída do ampop mesmo quando as entradas têm uma tensão nula. V 1 = V 2 = 0 Vs = (V 1 V 2 ) x Avo Vs 0 J.Vieira 37

38 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Ajuste de offset - Circuitos V 1 = V 2 = 0 Vs = (V 1 V 2 ) x Avo Vs 0 V cc V cc R F v i R v o = 0 interno externo TP 1 J.Vieira 38

39 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL SIMULAÇÃO TP 1 J.Vieira 39

40 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Impedância de entrada e de saída em malha aberta Impedância de entrada muito elevada 2MW no ampop 741 Impedância de saída muito pequena 75W no ampop 741 J.Vieira 40

41 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Impedância de entrada (Zi) Zi deve ser o mais elevado possível relativamente a RG para que o o sinal fornecido por UG não se perca em RG Se Zi = Ug = Ui todo o sinal era entregue ao Ampop situação ideal J.Vieira 41

42 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Impedância de saída (Zout) Zout deve ser o mais baixo possível relativamente a RL para que o sinal não se perca no Ampop Se Zout = RL metade do sinal perde-se no Ampop situação a evitar então Zout << RL menores perdas de tensão possível Pr 5 J.Vieira 42

43 PROTECÇÕES - AMPOPS J.Vieira 43

44 A realimentação Com o recurso à realimentação (feedback) é possível manter o valor da saída limitado. Realimentar significa colocar na entrada informação sobre a saída Realimentação positiva Realimentação negativa J.Vieira 44

45 Modos de operação do AMPOP Modos de operação do AMPOP malha malha aberta fechada comparador Realimentação positiva Osciladores Realimentação negativa aplicações com estabilidade e controlo do ganho Malha fechada com realimentação positiva Malha fechada com realimentação negativa J.Vieira 45

46 Funcionamento do ampop em malha aberta V O = (V 1 V 2 ) x Avo v 1 V d v 2 V 0 onde V O = tensão na saída (pino 6 do 741) V 1 = tensão na entrada (+) não inversora V 2 = tensão na entrada (-) inversora Avo = ganho de malha aberta do ampop J.Vieira 46

47 Funcionamento do ampop em malha aberta v 1 V d V 0 v 2 V O = (V 1 V 2 ) x Avo Vo = Vd Avo AVo = (A741 em malha aberta) Vo = 15 v Vi =Vd=? V d V A O VO μ5 Se Vd > 15 V AMPOP SATURA J.Vieira 47

48 Funcionamento do ampop em malha aberta Curva de transferência Uo =f(ui) v 1 Ucc V 0 V sat + V sat + V 0 V d v 2 V 0 -Uee Vi Vi Ud>0 e V0 > 0 1º Quadrante Ud<0 e V0 < 0 3º Quadrante V sat - V sat - Nota Ampop real Ampop ideal Na zona linear A U U U 0 i Na zona de saturação Usat Ucc e -Usat -Uee J.Vieira 48

49 Funcionamento do ampop em malha fechada com realimentação negativa Curva de transferência Uo =f(ui) V sat + V 0 Vi V sat - Nota Zona linear de dimensão muito superior face a quando o ampop funciona em malha aberta J.Vieira 49

50 Funcionamento do ampop em malha fechada com realimentação positiva Curva de transferência Uo =f(ui) V 0 +V Sat +V i +V s t -V Sat Nota Nesta curva não existem zonas lineares J.Vieira 50

51 Ampop em malha fechada com realimentação negativa J.Vieira 51

52 Aplicações com realimentação negativa Amplificador Inversor; Amplificador Não Inversor; Amplificador Somador; Amplificador Diferencial; Diferenciador; Integrador; Filtros Ativos, etc. J.Vieira 52

53 Ampop em malha fechada com realimentação negativa Para analisar qualquer montagem com realimentação negativa, devemos ter em conta que o ampop é ideal e pressupor que: A corrente que entra no AMPOP é nula A tensão nas entradas do AMPOP é a mesma J.Vieira 53

54 Ampop em malha fechada com realimentação negativa MONTAGEM INVERSORA J.Vieira 54

55 Funcionamento do ampop em malha fechada com realimentação negativa malha fechada Ganho finito Realimentação negativa origina abaixamento da tensão de saída sucessivamente até estabilizar J.Vieira 55

56 Massa virtual massa virtual Se a saída é finita (como se constata na prática) então as entradas devem estar similares dado que o ganho é infinito. Se uma entrada está à massa, a outra tem de estar num valor similar a massa virtual neste caso. J.Vieira 56

57 Amplificador Inversor Funcionamento do ampop em malha fechada massa virtual I1 I 2 0 Ue IiR 1 0 I 2R 2 Us 0 como I 1 = I 2 A V = - R 2 / R 1 Hipótese Ampop é ideal Ri é infinito e em consequência I1 = I2=0 A V = - R 2 / R 1 Simulação - Ampop inversor J.Vieira 57

58 Funcionamento do ampop em malha fechada Resistência de entrada e de saída na montagem inversora R i v i i 1 vi vi R 1 R 1 R i =R 1 R O =0 R i =R 1 R2 vi R R O =0 1 J.Vieira 58

59 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Largura de banda do ampop inversor f c f A unitária U 1 LB = fcs - fci Exemplo Em que: fc frequência de corte funitário frequência de ganho unitário Au ganho de tensão malha fechada Conclusão: Em malha fechada a largura de banda varia proporcionalidade inversa com o ganho de tensão J.Vieira 59

60 CARACTERISTICAS DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Comparação da largura de banda do ampop em malha aberta /L.B. em malha fechada do ampop inversor fc Exemplo 20 db por década funitário Pr 6, 7 e 8 Ganho X L.B. = Frequência de Ganho Unitário TP 2 J.Vieira 60

61 Ampop em malha fechada com realimentação negativa MONTAGEM NÃO INVERSORA J.Vieira 61

62 Amplificador Não Inversor Zi = infinita e A V = infinito U U 0 U d 0 Ud =0 c.c. virtual I 0 I 1 I 2 U U Ve V R1 I1 V R1 = R 1.I 1 e V S R 1 R 2 I 1 I2 A V = Vs/Ve = ( R 1 + R 2 )/R 1 V e R1 R R 1 2 Vs A V = 1 + R 2 /R 1 Simulação - Ampop não inversor J.Vieira 62

63 Resistência de entrada e de saída na montagem não inversora Vi R 2 1 vi R 1 Z i = R O =0 Zi = I i = 0 porque se verifica um c.c. virtual entre os dois terminais da entrada f unitária fc Pr 9 e 10 TP 3 AU J.Vieira 63

64 Ampop em malha fechada com realimentação negativa MONTAGEM BUFFER J.Vieira 64

65 Seguidor de tensão (Buffer) U U Ve V S V e = V S A V = 1 f c f A unitária U f unitária 1 f unitária Simulação Ampop buffer J.Vieira 65

66 Buffer - Resistência de entrada e de saída 1 vi R i = R O =0 Buffer Semelhante ao seguidor emissor (com transístor) Vi Vo O Buffer apresenta vantagens face ao seguidor emissor, porque Zi = J.Vieira 66

67 Seguidor de tensão (Buffer) Aplicações Adaptador de impedâncias Como o Buffer apresenta à saída uma impedância de saída muito baixa, é a interface ideal para usar entre uma fonte de alta impedância e uma carga de baixa impedância. Simulação Ampop buffer2 Pr 11 TP 4 J.Vieira 67

68 Ampop em malha fechada com realimentação negativa AMPLIFICADOR SOMADOR INVERSOR J.Vieira 68

69 Amplificador Somador Inversor Se fizermos I f I1 I I1 v1/r1 I 2 v 2/R I 3 V3/ R VS -R f. I f I 3 Teorema da sobreposição) V S = - Rf.(v1/R 1 + v2/r 2 + V 3 /R 3 ) R 1 = R 2 =R 3 = R V S = -Rf/R.(v1+v2+V3) E se R f =R V S = - J.Vieira (v 1 +v 2 +V 3 ) 69

70 Amplificador Somador Inversor Simulação Ampop somador J.Vieira 70

71 Amplificador Somador Inversor Calculador de média aritmética U 0 3 R R ( U 1 U 2 U 3 ) U 0 1 ( U1 3 U 2 U 3 ) J.Vieira 71

72 Amplificador Somador Inversor Conversor D/A V S = - Rf.(v1/R 1 + v2/r 2 + V 3 /R 3 ) Nível lógico 1 <> 5V por exemplo Formula geral da tensão de saída U0 (0.25U1 0.5U2 1U3) Nota com 3 bits podemos ir até 111 U 0 máx ( ) 8.75V Pr 12, 13 e 14 TP 5 J.Vieira 72

73 Ampop em malha fechada com realimentação negativa AMPLIFICADOR SOMADOR NÃO INVERSOR J.Vieira 73

74 Amplificador Somador Não Inversor Para obter a expressão da saída em função das entradas, usamos o teorema da sobreposição. Simulação Ampop somador não inversor J.Vieira 74

75 Amplificador Somador Não Inversor Considerando só v1 V+ = (R/2) / (R + R/2 ).ve1 V+= Ve1/3 VS1 = Ganho x V+ VS1 = 3.(ve1/3) VS1 = Ve1 Por analogia com o exposto anteriormente Ve1 e Ve3 nulos VS2 = Ve2. Ve1 e Ve2 nulos VS3 = Ve3. V S = V s1 +V s2 +V s3 V S = V e1 +V e2 +V e3 J.Vieira 75

76 Ampop em malha fechada com realimentação negativa AMPLIFICADOR SUBTRATOR J.Vieira 76

77 Amplificador Subtrator Para obtermos a expressão V S =f(ve1,ve2) vamos aplicar o teorema da sobreposição J.Vieira 77

78 Amplificador Subtrator Vamos aplicar o teorema da sobreposição + V S = Vs 1 + Vs 2 J.Vieira 78

79 Amplificador Subtrator Considerando Ve2 = 0 Podemos concluir que se trata do circuito amplificador inversor pelo que: Vs 1 = - R 2 /R 1.Ve 1 J.Vieira 79

80 Amplificador Subtrator Considerando V e1 = 0 circuito amplificador não inversor J.Vieira 80

81 Amplificador Subtrator (continuação) Vs 2 = Ganho V+ Ganho = A Vf = (R 1 + R 2 )/R 1 V+ = R 4 /(R 3 +R 4 ).Ve 2 Vs 2 = (R 1 +R 2 )/R 1 R 4 /(R 3 +R 4 )Ve 2 J.Vieira 81

82 Amplificador Subtrator + V S = Vs 1 + Vs 2 Vs 2 = (R 1 +R 2 )/R 1 R 4 /(R 3 +R 4 )Ve 2 Vs 1 = - R 2 /R 1.Ve 1 V S = (-R 2 /R 1 )Ve1 + (R 1 +R 2 )/R 1 R 4 /(R 3 +R 4 ) Ve 2 J.Vieira 82

83 Amplificador Subtrator (continuação) V S = (-R 2 /R 1 )Ve1 + (R 1 +R 2 )/R 1 R 4 /(R 3 +R 4 ) Ve 2 Se R1 = R3 e R2 = R4 V S = (R 2 /R 1 ) (Ve 2 - Ve1 ) Se R1 = R3 = R2 = R4= R V S = Ve 2 Ve 1 Se Ve 1 =Ve 2 V S = 0 Pr 15 e 16 Simulação Ampop subtractor TP 6 J.Vieira 83

84 Rejeição do Factor de Modo Comum Common Mode Rejection Ratio (CMRR) J.Vieira 84

85 Rejeição do Factor de Modo Comum -Common Mode Rejection Ratio (CMRR) Traduz a capacidade do circuito de amplificação de amplificar a tensão diferencial rejeitando a de modo comum J.Vieira 85

86 Rejeição do Fator de Modo Comum (CMRR) v o A d v Id A cm v Icm A d = ganho diferencial A cm = ganho de modo comum idealmente deverá ser nulo CMRR = razão de rejeição de modo comum CMRR 20log A A d cm J.Vieira 86

87 Rejeição do Factor de Modo Comum (CMRR) Montagem subtratora com 741 CMRR 90 db Devido a CMRR do ampop R1/R2 R3/R4 J.Vieira 87

88 cálculo do CMRR Através do amplificador subtrator podemos determinar o CMRR do A.O. Se R1 = R3 e R2 = R4 V S = (R 2 /R 1 ) (Ve 2 - Ve1 ) Se U1 =U2 = Uc U0 = Acm Ucm Ganho no modo comum Se U1 U2 U0 = Ad (U2-U1) Ganho no modo diferencial CMRR = Ad/Acm Ou CMRR (db) =20 log Ad/Acm J.Vieira 88

89 Cálculo do CMRR CMRR (A741) J.Vieira 89

90 Icm Icm v R R R v R i R R R R v i Icm R i v R R R v Icm O Cálculo de i 1 : Cálculo de v O : i 2 R 2 v v x O v x x v 1 1 / R v v i x Icm Icm Icm O v R R R R R v R R R v O v Icm R R R R R R R v R R R R R R R v v A Icm O cm Ganho de modo comum A cm Como i 2 =i 1 Cálculo do Ganho de Modo Comum ( forma mais rigorosa) A cm = v O / v Icm.

91 Ampop em malha fechada com realimentação negativa SOBRELEVADOR DE CORRENTE J.Vieira 91

92 Sobrelevador de corrente Os AMPOs são geralmente de baixa potência P< 1W Ampop ma ( corrente de c.c.) 1 simples LED absorve 10 a 25 ma (MUITO POUCO! QUE FAZER?) J.Vieira 92

93 Sobrelevador de corrente (continuação) Uma solução Utilizar ampops de potência P> 1 W LM675 W (25W) ou LM12 (80W) Outra solução Utilizar semicondutores de potência como interface entre o ampop e a carga BJT, BJT(Darlington), JFETs, SCR e o TRIAC J.Vieira 93

94 Sobrelevador de corrente (continuação) Ampop ma (MUITO POUCO! QUE FAZER?) Solução escolhida Vo 1 R 2 Vi R 1 U R 0 I L L I L βi B 12025mA 3A Pr 17 e 18 TP 7 J.Vieira 94

95 Ampop em malha fechada com realimentação negativa FONTE DE CORRENTE CONTROLADA POR TENSÃO J.Vieira 95

96 Fonte de corrente, controlada por tensão U U U i U R I R I CARGA U i R Simulador ampop fonte de corrente Icarga não depende de RL mas apenas de Vi e de R1 daí o nome de Fonte de corrente controlada por tensão J.Vieira 96

97 Fonte de corrente, controlada por tensão (continuação) Limitações Limitação em termos de corrente IR < Icc Imáx consultar datasheet do ampop U Limitação em termos de tensão (A741 Icc = 25 ma) 0, SAT UCC UCARGA UR UCC RCARGA IR Ui Resistência máx na carga U CC R L, máx R carga, máx 1 R U i J.Vieira 97

98 Ampop em malha fechada com realimentação negativa INVERSOR COM GANHO AJUSTÁVEL J.Vieira 98

99 Inversor com ganho ajustável Com R2potenciómetro =0 Av = -R2/R1 Com R2 máxpotenciómetro simetria no circuito Av = Ainv + Anão-inv Av=- (R2/R1) + (R2/R1)=0 Conclusão Av [-R2/R1, 0] Simulador ampop inv com ganho ajustável J.Vieira 99

100 Ampop em malha fechada com realimentação negativa CIRCUITO DESFASADOR J.Vieira 100

101 Circuito desfasador X C 1 2 f c Frequências altas Xc 0 entrada não inv à massa Montagem inversora Av = -1 desfasagem de 180º Frequências baixas Xc muito grande montagem subtratora Avtotal = 2-1 = 1 desfasagem nula f variação do ganho e da desfasagem() entre Ui e Uo [0,180] J.Vieira 101

102 Circuito desfasador Montagem prática J.Vieira 102

103 Circuito desfasador Frequências altas Xc 0 entrada não inv à massa Montagem inversora ENTRADA SAÍDA Simulador desfasador freq alta J.Vieira 103

104 Circuito desfasador Frequências baixas Xc muito grande montagem subtratora Avtotal = 2-1 = 1 desfasagem nula f variação do ganho e da desfasagem() entre Ui e Uo [0,180] SAÍDA ENTRADA SAÍDA ENTRADA Simulador desfasador freq baixa J.Vieira 104

105 Ampop em malha fechada com realimentação negativa GANHO DE TENSÃO, COM COMUTAÇÃO POR JFET J.Vieira 105

106 GANHO DE TENSÃO, COM COMUTAÇÃO POR JFET Por vezes podemos necessitar de ter um circuito com ganho variável. Comando automático de ganho UGSOFF JFET ao corte A V = 1 + R 2 /R 1 SIMULADOR UGS=0 JFET á condução 1 R2 R // R J.Vieira 106 A V 1 3

107 Ampop em malha fechada com realimentação negativa INVERSOR NÃO INVERSOR COMUTÁVEL J.Vieira 107

108 INVERSOR NÃO INVERSOR COMUTÁVEL SW2=0 montagem inv A V = - R 2 / R 1 = -1 SW2=1 montagem não inv e Ui aplicado simultaneamente às duas entradas Avtotal = A V = 1 + R 2 /R 1 + A V = - R 2 / R =1 SIMULADOR J.Vieira 108

109 INVERSOR NÃO-INVERSOR COMUTÁVEL (continuação) VR2=0 A V = - R 2 / R 1 VR2=máx Simetria em U+ e U- VR1MÁX= -R2/R1 +R2/R1 =0 SIMULADOR neste caso apresenta o resultado com alguma imprecisão J.Vieira 109

110 REVISÕES VÍDEO SOBRE AMPOPs APLICAÇÕES COM AMPLIFICADORES OPERACIONAIS Início M10 J.Vieira 110

111 Circuito linear e não linear Curva característica Circuito com Ampops diz-se linear saída varia linearmente Funcionamento do circuito Realimentação negativa (desde que não se atinja a saturação) Circuito com Ampops diz-se não linear saída não varia linearmente Funcionamento do circuito Realimentação positiva ou malha aberta ou realimentação negativa (só em alguns casos ) Circuito diferenciador e integrador J.Vieira 111

112 CIRCUITO DIFERENCIADOR J.Vieira 112

113 Diferenciador Ve C + R Vs I C I I R I C 0 I R I C I R V S RC dv dt e U R U S 0 U S U R Nota A tensão na resistência R e em C são semelhantes, são proporcionais a Ic e IR Us será simétrica de UR J.Vieira 113

114 Diferenciador (continuação) R Ve C + Vs V S RC dv dt e A U R X C 2fCR Na prática o circuito da figura anterior é sensível a ruído, tendendo a saturar. A solução é limitar o ganho em altas frequências colocando em série com C uma resistência RS como se exemplifica na figura seguinte. J.Vieira 114

115 Diferenciador (continuação) Ganho(V S /Ve) Circuito prático R R/R S Ve Rs C + Vs f C = 1 2R S C Se f<< f C, circuito diferenciador pois nessas condições a reactância de C será muito maior do que R S e na prática é como se não existisse R S. Se f >> f C o circuito será terá comportamento de um amplificador inversor. SIMULAÇÃO AMPOP DIFERENCIADOR J.Vieira 115

116 Diferenciador (continuação) R Circuito prático Ve Rs C + Vs Se f < fc circuito diferenciador A U R 2 S R X 2 C R 2 S R 1 2fC 2 Se f > fc circuito inversor A U R R S J.Vieira 116

117 Diferenciador (continuação) Circuito prático. Condições para o bom funcionamento do circuito R Ve Rs C + Vs Rs C T/10 com T = 1/f R 10 Rs J.Vieira 117

118 Diferenciador Diferenciador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma de onda quadrada f << f C CIRCUITO DERIVADOR J.Vieira 118

119 Diferenciador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma de onda quadrada R Ve Rs C + Vs f << f C CIRCUITO DERIVADOR ENTRADA SAÍDA simulador Ampop derivador 2 J.Vieira 119

120 Diferenciador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma de onda quadrada f > f C Circuito inversor J.Vieira 120

121 Diferenciador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma de onda quadrada f > f C Circuito inversor SAÍDA C ENTRADA simulador Ampop derivador 1 J.Vieira 121

122 Diferenciador (continuação) C Resposta a um sinal de entrada na forma de onda triangular f > f C Circuito inversor J.Vieira 122

123 Diferenciador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma de onda triangular ENTRADA SAÍDA C f > f C Circuito inversor simulador Ampop derivador 3 J.Vieira 123

124 Diferenciador (continuação) C Resposta a um sinal de entrada na forma de onda triangular f < f C Circuito diferenciador J.Vieira 124

125 Diferenciador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma de onda triangular C SAÍDA ENTRADA U 0, P 4 fr1cu i, p f < f C Circuito diferenciador simulador Ampop derivador 4 J.Vieira 125

126 Diferenciador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma C de onda sinusoidal f < f C Circuito diferenciador J.Vieira 126

127 Diferenciador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma de onda sinusoidal ENTRADA C SAÍDA f < f C Circuito diferenciador simulador Ampop derivador 5 J.Vieira 127

128 Diferenciador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma C de onda sinusoidal f > f C Circuito inversor J.Vieira 128

129 Diferenciador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma de onda sinusoidal ENTRADA C SAÍDA f > f C Circuito inversor simulador Ampop derivador 6 J.Vieira 129

130 CIRCUITO INTEGRADOR J.Vieira 130

131 J.Vieira 131 Integrador Escola Secundária c/3 Ciclo Rainha Santa Isabel, Estremoz Escola Secundária c/3 Ciclo Rainha Santa Isabel, Estremoz Escola Secundária c/3 Ciclo Rainha Santa Isabel, Estremoz (0) 1 V O O V Vidt RC C 1 i 1 i 1 i R R 1 i I R U R 0 U R U U I U I R U C R C R C R I I I 0 I I I I R U i C R I I CONDENSADOR CARREGA-SE LINEARMENTE -U U U U U C O O C

132 Integrador (continuação) U C T R C 1 U i U T 0 Ui R1C T tempo durante o qual se aplica o impulso Ui R1C A 1 10T A ganho em malha aberta T R1 C Uc = Ui = -Uo J.Vieira 132

133 Integrador (continuação) Entrada Onda Sinusoidal A U R R 2 1 Como circuito inversor A U X R C fcr 1 Como circuito integrador J.Vieira 133

134 Integrador (continuação) 1 V S RC Vedt O circuito da figura anterior apresenta uma certa instabilidade pois não tem realimentação em CC (o condensador é um circuito aberto em CC). Desta forma o ganho do circuito é muito elevado provocando a saturação do AMPOP. A solução é diminuir o ganho em CC colocando em paralelo com o condensador C uma resistência, RP, como se exemplifica na figura seguinte. J.Vieira 134

135 Integrador (continuação) Ganho -R 2 /R1 f C = 1 2R P C f > f C. o circuito é integrador f < f C o circuito é amplificador inversor com ganho igual a - R Rp J.Vieira 135

136 Integrador (continuação) A U R2 R 1 Como circuito inversor A U R 2 // X R 1 C R 1 1 R 2 2fR C 2 2 Como circuito integrador f 1 10T C 2R2C R C 1 f < fc circuito inversor f > fc circuito integrador J.Vieira 136

137 Integrador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma de onda quadrada f >> f C J.Vieira 137

138 Integrador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma de onda quadrada ENTRADA SAÍDA f >> f C SIMULADOR- AMPOP- INTEGRADOR U 0, P U i, p 4 fr C 1 J.Vieira 138

139 Integrador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma de onda quadrada f < f C J.Vieira 139

140 Integrador (continuação) Resposta a um sinal de entrada na forma de onda quadrada ENTRADA SAÍDA f < f C SIMULADOR- AMPOP- INTEGRADOR1 J.Vieira 140

141 CIRCUITOS NÃO LINEARES J.Vieira 141

142 Circuitos Não Lineares Os comparadores são circuitos não lineares e são utilizados para comparar duas tensões aplicadas nas suas entradas. Estes circuitos operam em malha aberta J.Vieira 142

143 Circuitos Não Lineares Em malha aberta Usat = Ucc 1 a 2 V Usat = 13,5 V Au = (A741 em malha aberta) A U U U 0 i 13.5 A i 0, 135mV [-0.135, 0.135] (mv) Zona linear fora do intervalo zona de saturação J.Vieira 143

144 CIRCUITO COMPARADOR J.Vieira 144

145 Comparadores Em muitas situações práticas surge a necessidade de se comparar dois sinais entre si, necessitando que um destes sinais seja uma referência Os comparadores produzem saídas +Vsat e Vsat. Existem formas de limitar a saída de forma que os comparadores não atinjam Vsat. J.Vieira 145

146 Comparadores COMPARADOR ES NÃO INVERSORES COMPARADOR ES COMPARADOR ES INVERSORES J.Vieira 146

147 Comparadores J.Vieira 147

148 Comparadores COMPARADOR NÃO INVERSOR COMPARADOR INVERSOR J.Vieira 148

149 Comparadores de tensão O circuito da figura seguinte muitas vezes é chamado de comparador de zero ou detector de zero não inversor porque quando a tensão de entrada ao passar por zero a saída muda de +VSat para -VSat ou vice versa. Ve > Vref = 0 +Usat V S +Vsat -1V 1V Ve Ve < Vref = 0 -Usat -Vsat Comparador de zero não inversor característica de transferência J.Vieira 149

150 Exemplo Ve = 1.senwt(V) Vs será uma onda quadrada com a mesma frequência SIMULAÇÃO COMPARADOR NÃO INVERSOR J.Vieira 150

151 Comparador de Zero - Inversor Ve < Vref = 0 +Usat V S +V Sat Ve -Vsat Ve > Vref = 0 -Usat Ve >0 Vs = -Usat característica de transferência Ve <0 Vs = +Usat J.Vieira 151

152 Circuito protegido contra excessos de tensão Nota Como os díodos só conduzem a a partir de 0.6 v até este valor o circuito está protegido contra ruídos J.Vieira 152

153 Exemplo Ve = 4.senwt(V) Vs será uma onda quadrada com a mesma frequência, mas defasada de 180º em relação à entrada. J.Vieira 153

154 Comparador de Nível Inversor com referência positiva característica de transferência SIMULAÇÃO COMPARADOR DE NÍVEL INVERSOR J.Vieira 154

155 RESUMO (COMPARADORES INVERSORES E NÃO INVERSORES) J.Vieira 155

156 Comparador não inversor J.Vieira 156

157 Comparador inversor J.Vieira 157

158 C0MPARADOR SAÍDA ENTRADAS Simulador J.Vieira 158

159 Comparador ENTRADAS SAÍDA J.Vieira 159

160 CIRCUITO COMPARADOR Comparador Schmit Trigger J.Vieira 160

161 Comparador inversor de Nível Efeito do ruído num ampop J.Vieira 161

162 Comparador Schmit Trigger Inversor Vs Histerese = V 1 V 2 Histerese +V Sat V 2 V 1 -V Sat Simulação Trigger Schmit V 2 R R V 1 1 Sat R 2 V 1 R R V 1 1 Sat R 2 Para mudar de +VSat para -VSat a amplitude do sinal deve ser maior do que V1 e para mudar de - VSat para + VSat a amplitude do sinal deve ser menor do que - VSat. J.Vieira 162

163 Histerese Se o nível de ruído (p.p.) que se sobrepõe ao sinal da figura for inferior à tensão de histerese (U H ), o comparador é insensível ao ruído J.Vieira 163

164 Comparador Schmit Trigger não Inversor J.Vieira 164

165 Comparador Schmit Trigger não Inversor Esquema teórico / prático J.Vieira 165

166 Comparador Schmit Trigger não Inversor Ui UO HISTERESE U VS U ref U U R1 R R 1 2 Usat (quando U 0 U sat ) U VI U ref U U R1 R R 1 2 Usat (quando U 0 U sat ) Simulador - comparador Shmit trigger n inv J.Vieira 166

167 AMPOP com uma/duas alimentações Comparador com uma única alimentação SIMULÇÃO AMPOP 1-2-ALIMENTAÇÕES J.Vieira 167

168 CIRCUITO COMPARADOR GERADOR DE PWM J.Vieira 168

169 Gerador de PWM com um comparador PWM Ampop com uma só alimentação diz-se Gerador de PWM de simples fase Ampop com duas alimentações diz-se Gerador de PWM antifase J.Vieira 169

170 Gerador PWM de simples magnitude Esquema teórico / prático J.Vieira 170

171 Gerador PWM de simples magnitude Vi Vi > Vref +Vsat Vi < Vref Vo =0 porque VEE=0V Vref V ref R 1 R 1 V2 R2 SIMULAÇÃO-AMPOP-PWM R1f Vo,médio ENTRADAS Vref SAÍDA T1 T2 T1 T2 Nota: Se aplicarmos este PWM a um motor ele só roda num sentido. Porquê? J.Vieira 171

172 Gerador de PWM antifase Esquema teórico / prático J.Vieira 172

173 Gerador de PWM antifase (continuação) Vi > Vref +Vsat Vi < Vref -Vsat V ref R 1 R 1 V2 R2 SIMULAÇÃO-AMPOP-PWM Vref R1f Vo,médio Vref ENTRADAS SAÍDA T1 T2 T1 T2 Nota: Se aplicarmos este PWM a um motor ele pode rodar nos dois sentidos. Porquê? J.Vieira 173

174 CIRCUITO COMPARADOR COMPARADOR DE JANELA J.Vieira 174

175 Comparador de Janela Existem dois tipos de comparadores de janela : Saída baixa entre limites Saída alta entre limites J.Vieira 175

176 Comparador de Janela Considerando V R2 maior do que V R1 teremos as seguintes hipóteses: J.Vieira 176

177 a) V e V R2 A saída do AO2 é +V CC D2 conduz. A saída do Ao1 é -V CC e D1 estará ao corte V S = +V CC. J.Vieira 177

178 b) V R1 V e V R2 As saídas dos dois ampops serão - V CC diodos ao corte V S = 0 J.Vieira 178

179 C) Ve VR1 A saída do AO1 é +VCC, logo D1 conduz. A saída do AO2 é -VCC e D2 estará aberto, nessas condições a saída VS = + VCC. J.Vieira 179

180 Conclusão Considerando V R2 maior do que V R1 teremos as seguintes hipóteses: a) V e V R2 A saída do AO2 é +V CC D2 conduz. A saída do Ao1 é -V CC e D1 estará ao corte V S = +V CC. b) V R1 V e V R2 As saídas dos dois ampops serão - V CC diodos ao corte V S = 0 c) V e V R1 A saída do AO1 é +V CC, logo D1 conduz. A saída do AO2 é -V CC e D2 estará aberto, nessas condições a saída V S = + V CC. J.Vieira 180

181 Característica de Transferência Simulação comparador janela V e < V R1 V e V R2 V R1 Ve V R2 J.Vieira 181

182 Comparador de janela com saída entre limites (esquema Teórico/prático) J.Vieira 182

183 Comparador de janela com saída entre limites ENTRADA SAÍDA Ui>5V Uo = 0 V 3v<Ui<5V Uo sat simulação Ui>3V Uo = 0 V J.Vieira 183

184 CIRCUITOS CONVERSORES DE ONDA J.Vieira 184

185 Conversor de onda sinusoidal, quadrada e triangular em Quadrada J.Vieira 185

186 Conversores de forma de onda Conversor de onda sinusoidal, quadrada e triangular em Quadrada Polarização do ampop com +Vcc e -VEE Vi = Onda sinusoidal Vi = onda triangular Vi = Onda quadrada Ui>0 U0= + Usat Ui <0 U0= - Usat Simulador J.Vieira 186

187 Conversores de forma de onda Conversor de onda sinusoidal, quadrada e triangular em Quadrada Polarização do ampop só com +Vcc Vi = Onda sinusoidal Vi = onda triangular Vi = Onda quadrada Ui>0 U0 = + Usat Ui <0 U0= 0 Simulador J.Vieira 187

188 Conversores de forma de onda Conversor de onda sinusoidal, quadrada e triangular em Quadrada Comparador Shimitt Trigger J.Vieira 188

189 Conversores de forma de onda Conversor de onda sinusoidal, quadrada e triangular em Quadrada Comparador Shimitt Trigger (continuação) Simulador - comparador Shmit trigger n inv Vi = Onda sinusoidal Vi = onda triangular Vi = Onda quadrada J.Vieira 189

190 Conversor de onda quadrada, em triangular J.Vieira 190

191 Conversor de Onda quadrada em triangular Integrador Resposta a um sinal de entrada na forma de onda quadrada Vi = Onda quadrada SAÍDA f >> f C ENTRADA SIMULADOR- AMPOP- INTEGRADOR U 0, P U i, p 4 fr C 1 J.Vieira 191