Projetando com Realimentação

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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.
6.071 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.
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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.
6.071 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.
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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.
6.071 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.
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Amplificador somador
Se
entã
o
Use a regra que diz que a corrente I- é zero.
Para evitar erros de desvio, coloque R = R1 ||R2 ||RF para gnd da
entrada não-inversora.
6.071 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.
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Amplificador “substrator”
Agora devemos usar as duas
regras, (1)V+ - V- é igual a
zero, e (2) que a corrente Ié zero.
6.071 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.
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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.
6.071 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.
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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?
6.071 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.
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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.
6.071 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).
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Realimentação positiva
Observe os valores de Vent
necessários para V+ =0
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.
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
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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.
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Realimentação Positiva
A realimentação positiva impulsiona o amplif. operacional à
saturação com mais força.
Observe os valores de Vent
necessários para V+ =0
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
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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 Vent) 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.
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Realimentação Positiva
Observe que, essencialmente, não há corrente
em V+.
∴A corrente através dos resistores é
e a queda de tensão através de R2 é
∴a tensão em V+ é
Queremos descobrir Vent quando V+ =0 (entãoV + = V-)
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
1
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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
6.071 Introduç ão 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.
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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 (AV) – tipicamente 104 a 106 (80 a 120 dB).
•
Taxa de subida – Taxa máxima de mudança da tensão de saída
com o passar do tempo.
•
Freqüência de ganho unitário (fT) = freqüência na qual o ganho
cai para 1.
•
Corrente de saída – corrente máxima que o amplif. operacional
pode fornecer.
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
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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
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Especificações típicas de amplif. operacionais
tensão de
fornecimento
dispositivo
741C bipolar
MOSFET
CA3420A
JFET LF411
LM10 bipolar
corrente de desvio de
fornecimento
tensão
Slew-rate
fT
CMRR
ganho
corrente
de saída
mín (V)
máx (V)
mA
mV
V/µs
MHz
dB
dB
mA
10
36
2,8
2
0,5
1,2
70
86
20
2
22
1
2
0,5
0,5
60
86
2
10
36
3,4
0,8
15
15
70
70
30
1
45
0,4
0,3
0,12
0,12
93
93
20
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
Alguns exemplos comuns de amplif. operacionals. O laboratório usa o 741.
14
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Compensação de desvio
Ajuste de tensão de desvio de entrada.
desvio nulo
entrada +
saída
entrada -
entrada entrada +
desvio nulo
saída
Junte as entradas em curto-circuito e ajuste o potenciômetro
para zero na saída.
6.071 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.
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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).
6.071 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.
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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.
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.
f máx =
6.071 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.
19 18-22
Entre no site do fabricante para obter um manual dos produtos. Favor seguir estas etapas:
1. Vá para o site de National Semiconductor: http://www.national.com/
2. Veja as condições de uso do site, visitando o link “Site Terms and Conditions of Use” da
página inicial, ou entrando neste link:
http://www.national.com/webteam/site_terms_of_use.html
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
email). Selecione o meio pelo qual você gostaria de receber o manual.
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Amplificad
or de erro
não-reg
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
rede de
Amostragem
de Saída
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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.
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Projetando com Realimentação
Amplificado
r de erro
Controle de
derivação
não-reg
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
rede de
Amostrage
m de Saída
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Aqui está uma versão ligeiramente mais complicada do mesmo circuito. Identifique o caminho de
realimentação e diga por que Rs é importante.
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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
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
Um amplif. operacional atuando como um comutador.
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Drivers de Saída
Rcarga
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
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.
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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”).
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
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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.
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
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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.
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
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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 Vent, é possível configurar a corrente através da
carga.
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
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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.
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
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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)
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
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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.
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
1
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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.
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais
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