AmpOp_Lab2 - Realimentação Negativa

2 REALIMENTAÇÃO NEGATIVA
Com a realimentação negativa conseguiremos efeitos realmente impressionantes. Utilizando um único amp op de
uso geral 741C (o fusca dos amp ops)
conseguiremos implementar circuitos
com resistência de entrada tão alta como
200MΩ (muito maior que a resistência de
entrada do próprio amp op) ou tão baixa
como 0,1Ω (quase um curto circuito).
Conseguiremos fazer o amp op trabalhar
como fonte de tensão ou como fonte de
corrente quase ideal.
!" Montar
o circuito conforme o diagrama esquemático da Figura 1.
!" Conferir
as ligações, principalmente a
de alimentação.
a alimentação de ±15V.
!" Ligar
!" Ajustar
o multímetro para medir tensão contínua de até 20VDC.
!" Medir
Em todos circuitos lineares, onde o
amp op opera não saturado, podemos afirmar que o amp op está submetido a
uma realimentação negativa.
p/ I O =6mA
Vo =
LM741C (1)
1N758A (diodo zener de 10V) (2)
!" Resistores
2kΩ (1)
30kΩ (1)
10kΩ (2)
1MΩ (2)
15kΩ (1)
1- Fonte de Tensão
Rf=10k
If
Ri=15k
-15V
DCV
+ -
Io
+
IL
VO=
[V]
Segundo a teoria,
Lista de material:
!" Semicondutores
a tensão de saída.
−R f
Ri
Vi
Vo = - (10k / 15k).(-15V) = 10V
A pequena diferença encontrada se
deve à tensão de entrada não ser exatamente 15V e devido à tolerância dos
resistores Ri e Rf.
A corrente fornecida pelo amp op é
6mA, soma da corrente no elo de realimentação If=Ii=Vi/Ri=1mA, com a corrente fornecida à carga IL=V o /R L=5mA.
!" Retirar
2k
a carga do circuito e medir Vo
novamente.
p/ IO =1mA V o =
[V]
Figura 1: Fonte de Tensão
Se a carga for instalada entre o terminal de saída do amp op e o terra, teremos uma fonte de tensão quase ideal, ou seja, a tensão de saída não varia
com a variação da carga.
EFEI - IEE / DON
Kazuo Nakashima
Com a retirada da carga, haverá uma
redução da corrente fornecida pelo amp
op, ∆Io = 5mA, que provocará uma pequena variação de tensão de saída.
∆Vo=V O(1mA) -V O(6mA) Provavelmente não
será possível medir qualquer variação através de multímetro de 3.1/2 dígitos.
1
Experiências com Amplificadores Operacionais – Realimentação Negativa
A resistência de saída deste circuito
será
ROUT =
∆Vo
∆I o
através de um outro multímetro ou através do osciloscópio ajustado em:
CH1=5V/DIV-DC, POS. CENTRAL
BASE DE TEMPO 1ms/DIV
TRIGGER=AUTO.
R OUT =
[Ω]
!" Curtocircuitar
Este valor muito baixo comprova que o
amp op funciona como fonte de tensão
quase ideal ou fonte de tensão firme.
2- Fonte de Corrente
R L e medir I L nova-
mente
[mA]
IL =
p/ V L=0
A tensão de saída deve ser aproximadamente zero V.
DCA
+
Rf=10k
Ri=15k
A resistência de saída deste circuito,
vista pela carga, é um valor muito alto,
comprovando a característica deste circuito como fonte de corrente quase ideal.
∆V L=10V
-
-15V
Io=If=IL
+
ROUT =
Vo
∆VL
∆I L
R OUT =
[Ω]
Figura 2- Fonte de Corrente
Se a carga for instalada entre o terminal de saída e o terminal de entrada
inversora do amp op, teremos uma
fonte de corrente quase ideal,ou seja,
a corrente não varia com a variação da
carga.
!" Montar
o circuito conforme o diagrama esquemático da Figura 2. O circuito é semelhante ao anterior, porém, a
carga é instalada no elo de realimentação negativa do amp op.
!" Medir
a corrente I L .
p/V L≅10V
IL =
3- Terra Virtual
Com a realimentação negativa, o potencial da entrada inversora é igual ao
potencial da entrada não inversora,
desde que o amp op não esteja saturado. É um curto-circuito virtual.
10V 10V
Rf=30k
Vi (CH1) Ri=15k
Vo (CH2)
[mA]
Esta corrente será bem próxima de
+
2k
I L = I i = Vi / Ri = 15V / 15kΩ = 1mA.
A tensão de saída será aproximadamente 10V, que poderá ser confirmada
EFEI - IEE / DON
Kazuo Nakashima
Figura 3: Amplificador Inversor e Terra
Virtual
2
Experiências com Amplificadores Operacionais – Realimentação Negativa
Se o terminal da entrada não inversora
estiver no potencial do terra, o terminal
da entrada inversora também estará no
potencial do terra. É como se a entrada
inversora estivesse aterrada, daí o termo
TERRA VIRTUAL.
!" Montar
o circuito da Figura 8, sem os
diodos zener.
!" Mudar
CH1 para o terminal da entrada inversora e- (pino 2 do 741).
Você deverá estar observando uma
forma de onda como o da Figura 5. Observe que exatamente no intervalo onde
o amp op está saturado, a entrada inversora apresenta uma tensão. Este terminal deixa de ser terra virtual quando o
amp op entra em saturação.
Ajustes do osciloscópio
Trig
CH2
CH1=5V/DIV, DC; POS.CENTRAL
CH2=5V/DIV; DC; POS.CENTRAL
VERTIVAL MODE: BOTH, CHOPPER.
BASE DE TEMPO=1ms/DIV
TRIGGER=CH2; AUTO, SLOPE-,
Gerador de Funções (GF)
TRIANGULAR, 200Hz; 5Vp.
Manter a amplitude do GF em ZERO
até ligar a alimentação de ± 15V.
Ajustar o GF somente depois de energizar o amp op.
!" Observar
o sinal de entrada e o sinal
de saída. O sinal de saída está invertido e tem o dobro da amplitude em
relação ao sinal de entrada.
Trig
5V
5V
!" Instale
os dois diodos zener de 10V,
back to back, como indicado no diagrama esquemático da Figura 3.
Trig
Figura 4- Amp op NÃO saturado.
o sinal de entrada até o sinal de saída ceifar. O ceifamento deve ocorrer em aproximadamente 14V,
que é a tensão de saturação deste
amp op.
EFEI - IEE / DON
Kazuo Nakashima
CH2
CH2
1ms
!" Aumentar
1ms
Figura 5- Amp op saturado.
5V
5V
5V
5V
1ms
Figura 6- Amp op CEIFADO SEM saturação.
Mesmo com a tensão de saída ceifada
em 10,5V, a entrada inversora do amp op
permanece como TERRA VIRTUAL.
Os diodos Zener evitam a saturação
do amp op mesmo com “over drive” (sinal
de entrada suficiente para levar o amp
3
Experiências com Amplificadores Operacionais – Realimentação Negativa
op à saturação). Evitar a saturação do
amp op é a condição para garantir o terra virtual.
Além desta vantagem, os diodos zener
limitam a tensão de saída dentro dos níveis de -10V e +10V, um padrão industrial.
O diodo zener evita a saturação do
amp op, e garante o terra virtual.
vezes a cada aumento de freqüência em
10 vezes).
Acima desta freqüência de corte, o
amp op se comporta não como um amplificador escalar, e sim como um “integrador”.
AOL
100dB
!" Diminuir
a amplitude de Vi para 5V de
pico. Observe que o sinal de saída
não está ceifada. A tensão da entrada
inversora (e-) é praticamente zero
(terra virtual).
0dB
Diminuindo o sinal de entrada, de forma que não ocorra a saturação do amp
op, a entrada inversora volta a ser terra
virtual em todo intervalo. Não significa
que a tensão neste terminal seja zero.
Se alterarmos CH1=5mV/DIV poderemos
ver um sinal, provavelmente quadrado.
Trig
1MHz
GBP
10Hz
Figura 8- Resposta em freqüência do
amp op.
Acima da freqüência de corte (10Hz no
741) a tensão na entrada inversora do
amp op será:
CH2
vo (t ) =
d
1
vi (t ).dt ∴ vi (t ) = Td vo (t )
∫
Ti
dt
e − (t ) = −
d vo (t )
−1
∗
dt
2π .GBP
Para um sinal senoidal, teríamos uma
outra onda senoidal defasada 90 o (um
coseno).
1V
5V
0.2ms
Figura 7- Entrada Inversora com Amp op
não saturado.
!" Mude
a escala de CH1 (e-) para
50mV/DIV e aumente a freqüência para 1kHz. O sinal de saída continua
triangular de 10V de pico e a tensão
e- aumentou.
O 741 apresenta um ganho de tensão
em malha aberta de 100.000 (ou 100dB)
até a freqüência de 10Hz. Acima desta
freqüência o ganho diminui numa taxa de
20dB por década (diminui 20dB ou 10
EFEI - IEE / DON
Kazuo Nakashima
Abaixo de 10Hz a forma de onda da
entrada inversora (e-) seria igual ao de
saída (Vo) com fase invertida.
VO = AOL (e+ − e− )
Mas, como a entrada não inversora
(e+) está aterrada.
e− = −
VO
AOL
4
Experiências com Amplificadores Operacionais – Realimentação Negativa
4- Função de transferência.
(modo X-Y)
Mesmo alterando o sinal para senoidal, a função de transferência não muda.
1) Ligar o canal CH1 do osciloscópio (X)
ao sinal de entrada Vi (saída do gerador de funções).
2) Ligar o canal CH2 (Y) ao sinal de saída Vo.
3) Aumentar o sinal de entrada para 10V
de pico (20Vpico a pico).
4) Ajustar o osciloscópio para o MODO
X-Y (geralmente este comando está
no seletor da base de tempo do osciloscópio)
6-Pontos de teste
X =Vi
e
Y = Vo.
De modo geral, os pontos de teste nos
circuitos eletrônicos devem ser os pontos
de baixa impedância. Agindo desta forma
evitamos interferências que instrumentos
de medidas podem provocar nos circuitos.
Nos circuitos com amp op, o ponto de
teste geralmente é o terminal de saída do amp op.
Estaremos observando a função de
transferência do circuito.
Trig
Rf=1M
CH2
Vo (CH2)
+
2k
Rb=1M
Figura 10- Ponto de Teste
5V
5V
1ms
Como os terminais de entrada do amp
op são muito sensíveis, eles não devem
ser tocados, mesmo com as pontas de
prova dos multímetros ou osciloscópio,
sob pena de provocar grandes perturbações no sinal de saída. Se este circuito
estiver em operação no sistema, poderemos provocar sérios problemas, inclusive acidentes.
!" Ajustes
5V
5V
XY
Figura 9- Função de Transferência
Esta curva indica que: a) enquanto
não ocorrer a saturação o amplificador é
linear b) a inclinação para a esquerda
indica inversão de fase (φ=180º)
EFEI - IEE / DON
Kazuo Nakashima
do osciloscópio
TRIGGER
SOURCE: EXT-LINE
SLOPE+,
MODE: AUTO
LEVEL 0
!" Montar
o circuito da Figura 10 e tocar,
com o dedo, um dos terminais de entrada do amp op. Observar o sinal de
saída.
5
Experiências com Amplificadores Operacionais – Realimentação Negativa
Trig
EXT LINE
O sinal de saída deverá ser contínuo,
de aproximadamente 14V, positivo ou
negativo. O amp op está saturado.
Se retirarmos o resistor Ri, ou seja,
entrada inversora aberta, o 741 irá saturar positivamente. Retirando Rb, entrada
não inversora aberta, o 741irá saturar
negativamente.
1V
2ms
Figura 11- Oscilograma da Interferência
da Rede
Se o acoplamento destes canais estivessem em AC, não poderíamos afirmar
isso. Estaria indicando sempre ZERO.
Ri=10k
Quando o sincronismo da varredura do
osciloscópio é feito pelo sinal da rede
(TRIGGER=EXT-LINE) e o sinal observado estiver "parado" na tela, significa
que este sinal está relacionado com a
rede de alimentação.
T=
[ms]
f=
[Hz]
a alimentação de ±15V e trocar os resistores de 1MΩ para 10kΩ.
!" Desligar
Ligar a alimentação e repetir a experiência. O sinal de saída será bem menor,
comprovando que:
CH2 - DC
CH1 - DC
Vo
+
2k
Rb=10k
Figura 12- Interferência da rede de 60Hz.
!" Tocar
uma das entradas do amp op
com o dedo. Você deverá estar observando uma onda quadrada na saída
do amp op. Os dois canais devem apresentar a mesma forma de onda obviamente.
!" Mudar
Quanto menor a resistência,
menor será o ruído e interferência no
circuito".
7- Acoplamento DC
SEMPRE que possível utilize o
acoplamento DC.
!" Montar
o modo de acoplamento do canal CH2 para AC.
A distorção em CH2-AC se deve ao
acoplamento AC.
O acoplamento AC distorce o sinal em
baixa freqüência.
o circuito da Figura 12
Os canais verticais CH1 e CH2 devem
monitorar o mesmo sinal de saída e devem estar no modo de acoplamento DC
para que possamos observar a forma de
onda "como exatamente ela é", com a
componente AC mais a componente DC.
EFEI - IEE / DON
Kazuo Nakashima
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