Apresentação do PowerPoint - PUC-SP

Aula 15
Amplificadores Operacionais
(pág. 453 a 459)
Prof. Dr. Aparecido Nicolett
PUC-SP
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Considerações gerais:
• Amplificadores Operacionais são amplificadores diferencias com ganho muito alto,
impedância de entrada alta e impedância de saída baixa.
• Suas principais aplicações, como o próprio nome diz, são realizar operações
matemáticas (integração, diferenciação, soma, multiplicação/amplificação, etc.),
quando operando na região linear (região ativa).
• Na região de saturação, este dispositivo pode ser utilizado como comparador,
gerador de onda quadrada, dente de serra, filtros, osciladores, etc.
• Possui três modos de entrada: entrada inversora, entrada não inversora e entrada
diferencial, quando as entradas inversora e não inversora são utilizadas
simultaneamente.
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A figura 13.1 mostra um amp-op básico, com duas entradas e uma saída.
Figura 13.1: Amp-op básico.
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Entrada com Terminação Única
• A operação de entrada com terminação única tem origem, quando o sinal de entrada é
conectado a uma entrada do amp-op com a outra entrada conectada ao terra (GND).
Sinal de entrada injetado na
entrada não-inversora. Sinal
de saída, após realização da
operação, possuí mesma fase.
Sinal de saída com
defasagem de 180o.
Figura 13.2: Operação com terminação única.
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Entrada com Terminação Dupla (Diferencial)
• Sinal de entrada aplicado a ambas as entradas, o que é chamado de operação com
terminação dupla.
A fonte Vd é aplicada nas
duas entradas.
Duas fontes, V1 e V2, são aplicadas nas
entradas do amp-op. Vd = V1 – V2
Figura 13.3: Operação com terminação dupla.
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Saída com Terminação Dupla
• Um sinal de entrada aplicado a qualquer entrada, resultará em saídas para ambos os
terminais de saída, com polaridades opostas.
+
-
Figura 12.35: Circuito amplificador diferencial básico.
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Saídas amplificadas de
polaridades opostas.
Figura 13.5: Saída com terminação dupla e entrada com terminação única.
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Saída única medida entre os terminais de saída
(não em relação ao GND). Este sinal de diferença
de saída é Vo1 – Vo2.
Figura 13.6: Saída com terminação dupla.
A diferença de saída é duas
vezes maior que Vo1 ou Vo2,
pois são polaridades opostas.
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Figura 13.7: Operação com entrada e saída diferenciais.
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Operação Modo-Comum
Vd = 0
Como as entradas recebem o mesmo sinal,
as saídas são amplificadas de mameira
iguais, resultando em Vo ≈ 0 V.
Figura 13.8: Operação modo-comum.
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Rejeição de Modo-Comum (CMRR – Common-Mode Rejection Ratio)
• Uma importante característica de uma conexão diferencial é que os sinais que são
opostos nas entradas são altamente amplificados.
• Os sinais comuns às entradas são apenas pouco amplificados.
• Como o ruído (qualquer sinal de entrada não desejado) geralmente é comum a ambas
as entradas, a conexão diferencial tende a atenuar essa entrada indesejada.
Operação Diferencial e Modo-Comum
• Entradas Diferenciais: Quando entradas separadas são aplicadas ao amp-op, o sinal
de diferença resultante é:
Vd = Vi1 − Vi 2
(13.1)
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• 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.
Vc =
1
(Vi1 + Vi 2 ) (13.2)
2
• Tensão de saída:
Vo = A d Vd + A c Vc
Vd = tensão de diferença dada pela eq. (13.1)
Vc = tensão comum dada pela eq. (13.2)
Ad = ganho diferencial do amplificador
Ac = ganho de modo-comum do amplificador
(13.3)
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a) Para medir Ad ⇒ Vi1 = - Vi2 = Vs = 0,5 V
(13.1) ⇒ Vd = (Vi1 – Vi2) = (0,5 V – (-0,5 V)) = 1 V
(13.2) ⇒ Vc = ½ (Vi1 + Vi2) = ½ [0,5 V + (- 0,5 V)] = 0 V
(13.3) ⇒ Vo = Ad.Vd + Ac.Vc = 1 + 0 = Ad
b) Para medir Ac ⇒ Vi1 = Vi2 = Vs = 1V
(13.1) ⇒ Vd = (Vi1 – Vi2) = (1,0 V – (1,0 V)) = 0 V
(13.2) ⇒ Vc = ½ (Vi1 + Vi2) = ½ [1,0 V + (1,0)] = 1 V
(13.3) ⇒ Vo = Ad.Vd + Ac.Vc = 0 + 1 = Ac
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Razão de rejeição de Modo-Comum
CMRR =
Ad
Ac
(13.4)
CMRR (log) = 20 log10
Ad
(dB) (13.5)
Ac
Exemplo 13.1: Calcule CMRR para os circutos de medidas abaixo.
Ad =
Vo
8
=
= 8000
Vd 1m
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Ac =
CMRR =
A d 8000
=
= 666,7 (13.4)
Ac
12
CMRR (log) = 20 log10
8000
12m
= 56,48(dB)
(13.5)
Vo 12m
=
= 12
Vc 1m
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Amplificadores Básicos
• A entrada positiva (+) produz uma saída que está em fase com o sinal aplicado,
enquanto a entrada negativa (-) resulta numa saída com polaridade oposta.
Figura 13.10: Amp-op básico
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Ri: Resistência de entrada (normalmente muito alta)
Ro: Resistência de saída (normalmente muito baixa)
Ad: Ganho diferencial do amplificador
Figure 13.11: Equivalente ca do circuito amp-op: (a) real; (b) ideal.
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Amp-op Básico
Sinal de entrada V1
aplicado exclusivamente
na entrada inversora.
A saída Vo será oposta em fase
ao sinal de V1.
Figura 13.12: Conexão amp-op básica.
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Figura 13.12
Circuito ca equivalente
do amp-op.
{
Figura 13.13
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Figura 13.13
Figura 13.13
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• Utilizando a sobreposição é possível calcular a tensão Vi em termos dos componentes
por causa de cada uma das fontes.
Figura 13.13c
Para a fonte V1 somente (-Av.Vi fixado em zero):
Vi1 = Rf
V1
R1 + Rf
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Figura 13.13c
Para a fonte -Av.Vi somente (V1 fixado em zero):
Vi 2 = R1
( − Av.Vi)
R1 + Rf
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A tensão total Vi é então:
Vi = Vi1 + Vi 2 =
Vi =
Rf
R1
V1 +
( − Av.Vi)
R1 + Rf
R1 + Rf
Rf
V1 (13.7)
Rf + (1 + Av)R1
Se Av >> 1 e Av.R1 >> Rf, como normalmente ocorre, tem-se:
Vi =
Rf
V1
AvR1
Vo − Av.Vi − Av.Rf .V1
Rf .V1
=
=
=−
Vi
Vi
Vi.Av.R1
R1.Vi
Vo
Rf
=−
(13.8)
V1
R1
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Vo
Rf
=−
(13.8)
V1
R1
Para Rf = R1
Vo/V1 = -1 (ganho unitário)
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Terra Virtual
• A tensão de saída é limitada pela fonte de alimentação, ou seja, apesar do ganho
elevado típico deste dispositivo, a saída nunca será maior que a alimentação.
Figura 13.13a
Como Ri é muito grande, podemos
admitir que Vi ≈ 0V. Isto implica que
não há corrente na entrada do
amplificador para o GND.
Figura 13.14