Amplificadores Operacionais

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1 AULA 05 Amplificadores Operacionais Prof. Rodrigo Reina Muñoz 2 o Trimestre de

2 Conteúdo Amplificadores Operacionais CMRR Configuração inversora Configuração não inversora 2 2

3 Amplificadores Operacionais - Motivação Formados a partir de amplificadores diferenciais, resultando em: o o o ganho elevado impedância de entrada alta impedância de saída baixa Principais aplicações: - Realizar operações matemáticas (integração, diferenciação, soma, multiplicação, amplificação, etc.) - Uso como comparador, gerador de onda quadrada, etc. 3 3

4 Amplificadores Operacionais Entradas/Operação Possui três modos de entrada: o entrada inversora o entrada não inversora o entrada diferencial, quando as entradas inversora e não inversora são utilizadas simultaneamente. 4 4

5 Amplificadores Operacionais Parâmetros Importantes o Alimentação (em geral simétrica: +Vcc e -Vcc) geralmente ~15 V o Dissipação de potência tipicamente 50 mw o Corrente de alimentação tipicamente 1,7 ma o Corrente máxima de saída tipicamente 25 ma o Tensão de saída máxima cerca de 13,5 V (para a alimentação de 15 V) 5 5

6 Amplificadores Operacionais Modelo O modelo de 2 a ordem (CA) do amplificador operacional mostra que o mesmo pode ser considerado como uma fonte de tensão controlada por tensão 6 6

7 Amplificadores Operacionais Parâmetros Exemplo: CI

8 Amplificadores Operacionais Três Estágios 8 8

9 Amplificadores Operacionais Encapsulamento Normalmente é encapsulado em um dual-in-line-package (DIP) (cinco pinos utilizados) 9 9

10 Amplificadores Operacionais Fabricantes Diferentes fabricantes e suas dferentes designacoes: o o o o o o Farchild (Intel) µa e µaf National Semiconductor LM, LH, LF e TBA Motorola MC e MFC RCA CA e CD Texas Instruments SN Signetics N/S, NE/SE e SU 10 10

11 Amplificadores Operacionais Questão: Qual é o número de terminais necessários para um Amp-Op simples? Qual é o número mínimo de terminais necessários em um CI encapsulado (DIP) contendo quatro Amp-Ops (chamado Amp-Op quad)? Resp.: 4,

12 Amplificadores Operacionais Configurações das Entradas Entrada com Terminação Única Quando o sinal de entrada é conectado a uma entrada do amp-op com a outra entrada conectada ao terra (GND)

13 Amplificadores Operacionais Configurações das Entradas Entrada com Terminação Dupla (Diferencial) Sinal de entrada aplicado a ambas as entradas 13 13

14 Amplificadores Operacionais Configurações das Entradas Operação Modo Comum Como as entradas recebem o mesmo sinal, as saídas são amplificadas de maneira igual, resultando em V o 0 V

15 Amplificadores Operacionais Rejeição de Modo Comum CMRR Common-Mode Rejection Ratio Numa conexão diferencial: os sinais que são opostos nas entradas são altamente amplificados os sinais comuns às entradas são pouco amplificados Exemplo: o ruído (qualquer sinal de entrada não desejado), geralmente comum a ambas as entradas, tende a ser atenuado 15 15

16 Amplificadores Operacionais Rejeição de Modo Comum CMRR Common-Mode Rejection Ratio Operação Diferencial e Modo-Comum Entradas Diferenciais entradas separadas aplicadas ao amp-op, o sinal de diferença resultante é: Entradas Comuns: Quando os sinais de entrada são iguais, o sinal comum às duas entradas pode ser definido como a média aritmética entre os dois sinais. Tensão de saída: 16 16

17 Amplificadores Operacionais Rejeição de Modo Comum CMRR Common-Mode Rejection Ratio Exemplo 1: Calcule CMRR para os circuitos abaixo

18 Amplificadores Operacionais Rejeição de Modo Comum CMRR Common-Mode Rejection Ratio 18 18

19 Amplificadores Operacionais - Características Outros parâmetros importantes Offset Drift (deriva) Resposta em Freqüência CMRR Ganho Slew-Rate Compliance (máxima tensão não ceifada pico-a-pico na saída - depende da alimentação e da carga) 19 19

20 Amplificadores Operacionais - Características AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL a) ganho de tensão diferencial infinito b) ganho de tensão de modo comum igual a zero c) tensão de saída nula para tensão de entrada igual a zero d) impedância de entrada infinita e) impedância de saída igual a zero f) faixa de passagem infinita g) deslocamento de fase igual a zero h) deriva nula da tensão de saída para variações de temperatura 20 20

21 Amplificadores Operacionais - Características AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Ganho de tensão Normalmente chamado de ganho de malha aberta, medido em C.C.(ou em frequências muito baixas), é definido como a relação da variação da tensão de saída para uma dada variação da tensão de entrada. Este parâmetro, notado como A ou A V0, tem seus valores reais da ordem de alguns poucos milhares. Normalmente, A V0 é o ganho de tensão diferencial em C.C. O ganho de modo comum é outro ganho, muito reduzido em condições normais. Observação: Na maioria dos casos, tem-se A V0 como o ganho em malha aberta e A como sendo o ganho em malha fechada

22 Amplificadores Operacionais - Características AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Tensão de "offset" Devido principalmente a um casamento imperfeito dos dispositivos de entrada, normalmente diferencial, a saída do amplificador operacional pode ser diferente de zero quando ambas entradas estão no potencial zero. Significa dizer que há uma tensão C.C. equivalente, na entrada, chamada de tensão de "offset". O valor da tensão de "offset" nos amplificadores comerciais está situado na faixa de 1 a 100 mv. - Os componentes comerciais, em geral, têm entradas para ajuste da tensão de "offset"

23 Amplificadores Operacionais - Características AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Corrente de "offset" Devido às correntes de base dos transistores bipolares de entrada do amplificador operacional ou ainda correntes de fuga da porta do transistor de efeito de campo em amplificadores dotados de FETs à entrada. Como, na prática, os dispositivos simétricos de entrada não são absolutamente iguais, as duas correntes de entrada são sempre ligeiramente diferentes. A diferença dessas correntes é chamada de corrente de "offset" de entrada

24 Amplificadores Operacionais - Características AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Faixas de passagem "Unit-Gain Crossover Frequency" - A frequência em que o ganho de tensão passa pelo ganho unitário. Nos amplificadores convencionais, esta frequência pode estar na faixa de 1 khz até 100 MHz. Nos amplificadores operacionais monolíticos está na faixa dos 0,5 a 5 MHz

25 Amplificadores Operacionais - Características AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL "Slew Rate Ocorrência de onda triangular na saída do Amp-op quando é injetado um sinal senoidal de alta frequência, de amplitude superior a um certo valor prefixado. A inclinação desta forma de onda triangular é o "slew rate. Esta limitação tem origem nas características de construção do dispositivo e está diretamente ligado a um elemento, o chamado capacitor de compensação de fase e à máxima taxa com que este pode ser carregado. Este capacitor, nos amplificadores operacionais monolíticos tem capacitância típica de 30 pf. Assim, dependendo da amplitude do sinal desejado na saída, o amplificador operacional "não consegue acompanhar o sinal de entrada"

26 Amplificadores Operacionais - Características SR para sinal senoidal aplicado na entrada SR para sinal pulsado aplicado na entrada 26 26

27 Amplificadores Operacionais - Características AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL "Slew Rate Em amplificadores operacionais monolíticos, de uso geral, SR vale alguns Volts por microssegundos. Em amplificadores operacionais construídos pela técnica de C.I.s híbridos, este valor pode ser muito elevado, por exemplo, SR = 2000 V/µs. Em resumo, o SR ocorre devido a que existe uma máxima taxa de cambio na saída de um amp-op real. Analiticamente é definido como: SR = dv dt o max 27 27

28 Considere, por exemplo, um amp-op conectado como seguidor de tensão de ganho unitário: Aplicando um sinal de passo (step), observe que a saída não consegue alcançar o valor V de forma instantânea. A saída será uma rampa linear de pendente igual ao SR desse amp-op. Assim, estará limitada por slew rate. 28

29 Amplificadores Operacionais - Características AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL Largura de banda de potência É a máxima frequência do sinal de saída sem distorção. f Max = SR 2πVp Onde: SR: slew rate V P : Pico do sinal de saída 29 29

30 Amplificadores Operacionais - Características Exemplo 2: Para o sinal e circuito da figura abaixo, determine a máxima frequência que pode ser usada, a fim de evitar distorções. O SR do Amp-Op é 0,5V/µs. f Max = SR 2πVp Solução: 30 30

31 Amplificadores Operacionais - Amplificador A tensão de saída, devido ao amplificador diferencial na entrada do Amp-Op, é independente das tensões e A e e B, mas depende da diferença (e B e A ). Exemplo: e B =10,001 e e A = 10,000 V entrada de 0,001 V (como se e B fosse 0,001 V e e A fosse igual a zero) 31 31

32 Amplificadores Operacionais - Amplificador Curva de Transferência 32 32

33 1) Amplificador Inversor EN 2602 Fundamentos de Eletrônica Amplificadores Operacionais - Amplificador VS A = Determinando o Ganho de Malha Fechada ( V ) e Admitindo que o amplificador operacional tenha propriedades ideais, sua impedância de entrada é infinita e não há corrente fluindo em suas entradas. Assim, i1 = i

34 1) Amplificador Inversor EN 2602 Fundamentos de Eletrônica Amplificadores Operacionais - Amplificador VS Determinando o Ganho de Malha Fechada ( A = ) V e A tensão de saída desta configuração é, por definição: 34 34

35 Amplificadores Operacionais - Amplificador 1) Amplificador Inversor de Tensão V A = V Determinando o Ganho de Malha Fechada ( ) S e A = 35 35

36 1) Amplificador Inversor de Tensão Fora de fase

37 37 EN 2602 Fundamentos de Eletrônica 37 2) Amplificador Não-Inversor Determinando o Ganho de Malha Fechada ( ) + = = ) ( R R R v v A v v A v S e V V S R R R A A v v A v A R R AvoR v V V e S e V S + + = = = + + Ganho Exato Como A V0 >>1, tem-se R R A R R R R R R A A A V V + + = + Amplificadores Operacionais - Amplificador Ganho Aproximado e S V V A =

38 Amplificadores Operacionais - Amplificador Exemplo 3: Determine os ganhos em malha fechada (A) exato e aproximado. Determine também o valor de V S. Dados: R 1 = 98 kω; R 2 = 2 kω; A V0 = 10 5 ; V e = 1mV A = k 5 2k + 2k 5 = 49,975 Exato A 98k 1 + = 2k 50 Aproximado Diferença = 49, ,975 = 0,05% 38 38

39 Exemplo 3 (continuação): EN 2602 Fundamentos de Eletrônica v S = 1mV (49,975) = 49,975mV 50mV Amplificadores Operacionais - Amplificador Cálculo de v ENTRADA vs 50mV ventrada = v1 v2 = = = 0,5µ V 5 A 10 V 0 Exemplo 4: Substituir o Amp-Op por outro de ganho , ou seja com ganho (5 x menor). E recalcular o ganho em malha fechada. = k 98k + 2k A Variação de 0,2% = 49,

40 Amplificadores Operacionais Terra Virtual - Devido ao valor elevado (~ ) do ganho em malha aberta: terra virtual. Por exemplo, para ter-se uma saída com 10 V, deve-se ter, na entrada, uma diferença v (+) v (-) próxima de 0,0001 V. - Não pode ser tratado como um curto-circuito entre as entradas do Amp-Op. i i

41 Amplificadores Operacionais Terra Virtual Conceito de curto virtual: v ENTRADA = v v 1 2 muito pequeno As tensões v 1 e v 2 em um Amp-Op com realimentação negativa, representam um curto virtual, pois não há diferença de potencial. Mas a corrente é nula (impedância infinita). Exemplo 5: Determine a diferença (v 1 v 2 ) tendo-se um Amp-Op µa741, com A V0 = 10 5 ; V CC = 15 V V Smax ~ 15 V. Justifique a existência do Terra Virtual. v vs 15 = v1 v2 = = = 150 V v 5 1 v A 10 ENTRADA max µ 2 curto virtual 41 41

42 Amplificadores Operacionais Exercícios 1) Determine a tensão de saída de um Amp-Op para tensões de entrada de V i1 = 150 mv e V i2 = 140 mv. Considere que este Amp-Op tem um ganho diferencial de A d = e o valor de CMRR é ) Qual é a nova tensão de saída caso do CMRR passar para 10 5? 42 42

43 Amplificadores Operacionais Exercícios 3) O Amp-Op TL 074 tem um slew rate de 13 V/µs. Qual a largura de banda para uma tensão de pico de 5 V? 4) Qual a maior amplitude de pico do sinal de saída sem distorção considerando-se o Amp-Op LF353 (SR = 13 V/µs) operando numa freqüência de 360 khz. 5) Um Amp-Op apresenta em sua folha de dados uma CMRR de 65 db. Qual a relação entre os ganhos diferencial e de modo-comum? 6) Em um Amp-Op de CMRR = 90 db e A d = , aplica-se nas entradas um sinal comum de mesma polaridade com amplitude de 1 V. Qual será a amplitude do sinal de saída? 7) Um Amp-Op tem um ganho de tensão de Se a tensão de entrada for 12 µv, qual a tensão de saída? 43 43

44 Amplificadores Operacionais Exercícios 8) Qual a tensão de entrada de um Amp-Op com tensão de saída de 10 V e um ganho de tensão de ? 9) Qual o maior sinal de saída sem distorção, do Amp-Op 741C operando numa freqüência máxima de 50kHz? Use SR = 0,5 V/µs. 10) Qual é a tensão de saída no circuito da Figura a seguir? 44 44

45 Amplificadores Operacionais Exercícios 11) Qual é a faixa de ajuste de ganho de tensão no circuito da Figura? 12) Calcule a CMRR (em db) para as medidas feitas no circuito de V d = 1 mv, V 0 = 120 mv, e V C = 1 mv, V 0 = 20 µv

46 Amplificadores Operacionais Exercícios 13) Calcular o ganho de tensão do circuito abaixo

47 Amplificadores Operacionais Exercícios 14) Aplicando-se a tensão abaixo na entrada e1, do circuito do slide anterior, qual é o gráfico da tensão de saída es? 15) Projete uma amplificador não inversor com ganho igual a ) Projete um amplificador inversor com ganho igual a

48 Amplificadores Operacionais Exercícios 17) Que tensão de entrada produz uma saída de 2 V no circuito da Figura a seguir? 48 48

49 Amplificadores Operacionais Exercícios 18) Qual é a faixa das tensões de saída no circuito da Figura a seguir se a entrada puder variar de 0,1 V a 0,5 V? 49 49

50 Amplificadores Operacionais Exercícios 19) Que tensão de saída resulta do circuito da Figura a seguir para uma entrada V i = 0,3? 50 50

51 Segunda Lista de exercícios Mostrar passo a passo a derivação do resultado do slide 35. Na demonstração, assuma ao final que o ganho A vo é muito alto. 51