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ELT703 - EXPERIÊNCIA N° 3: ERROS DC (OFFSET) E SLEW RATE 1. OBJETIVOS: Levantamento da VIO, IB-, IB+ e seus efeitos na relação de saída; Ajuste de Offset externo e interno; Medição do Slew Rate (Taxa de Subida). 2. RELAÇÃO DE COMPONENTES: 1 CI 741 1 Resistor de 100Ω 2 Resistores de 1k 1 Resistor de 2k 3 Resistores de 10k 2 Resistores de 100k 2 Resistores de 1M 1 Potenciômetro de 10k ou 100k (módulo) - (indicar o potenciômetro utilizado) 1 Capacitor de 100pF 3. RELAÇÃO DE EQUIPAMENTOS: 1 Osciloscópio 1 Gerador de funções 1 Multímetro digital 1 Módulo Análogo-Digital 4. OBSERVAÇÕES: Para medirmos os efeitos que os parâmetros Vio, IB- e IB+ provocam na tensão DC de saída é necessário que não exista influência do sinal de entrada. Assim sendo, devemos primeiramente aterrar a tensão de entrada. Caso o multímetro não apresente uma leitura estável, chame o professor. Preste muita atenção na polaridade das ponteiras do multímetro nas medições. O sinal das medições é extremamente relevante. Preste muita atenção na notação científica das medições. 5. PROCEDIMENTO: 5.1. MEDIÇÃO DA TENSÃO DE OFFSET Vio a) Para medirmos Vio utilizaremos um buffer com o sinal de entrada aterrado. Idealmente a tensão de saída deveria ser zero mas, na prática, aparece uma pequena tensão DC da ordem de mV que é a tensão offset das entradas, Vio ou Vos. Monte o circuito da Figura 1 e anote o resultado na Tabela 1: Tabela 1: Dados do primeiro ensaio. 4 2 LM741 3 -12V 6 + 7 +12V Vo RL 10k e+ (pino 3) = e- (pino 2) = Vo (medido) = Vio = Figura 1: Configuração de buffer para medição da tensão de offset. b) Caso o amplificador tenha um ganho, o efeito de Vio aparece na saída amplificado pelo ganho do amplificador não-inversor. No circuito da Figura 2 utilizaremos baixos valores de resistência para que a influência da corrente IB-=possa ser desprezada. Vale a pena observar que esses resistores de baixos valores foram utilizados especificamente para esse ensaio e devem ser evitados, pois provocam um grande consumo de corrente no operacional. Monte o circuito e anote os valores na Tabela 2. Tabela 2: Dados do segundo ensaio. R1 100 R2 1k Vo(medido) = 4 -12V 2 6 LM741 3 + +12V 7 Vo RL 10k V io (calculado)= R2 A ninv = 1 + R1 V o (medido) = Aninv Figura 2: Amplificador inversor. Compare os valores de Vio dos itens a e b. Houve diferença? Por que? 5.2. MEDIÇÃO DE IB– Para se obter o valor de IB-, basta colocar um resistor no laço de realimentação, medir o erro DC na saída e descontar a parcela devido a tensão Vio. Monte o circuito da Figura 3, anote o valor de VoDC e calcule o valor de IB- através da Tabela 3. Tabela 3: Dados do terceiro ensaio. Rf 1M IB- Vo(medido) = R2 1k 4 2 - 3 + -12V 6 LM741 7 +12V e+ (medido) = Vo e– (medido) = RL 10k I B - calculado = V o medido R V io = f Figura 3: Configuração para medir IB-. 5.3. MEDIÇÃO DE IB+ Para se obter o valor de IB+, utilizamos um buffer com resistor conectado a entrada positiva conforme a Figura 4 e seguimos o mesmo procedimento do item anterior anotando os valores na Tabela 4. Tabela 4: Dados do quarto ensaio. R2 1k 4 2 - -12V 6 LM741 3 Vo(medido) = e– (medido) = e+(calculado) = e-(medido) – Vio = Vo + 7 Rb 1M +12V I B + calculado RL 10k = V io V o medido = Rb - I io = IB + 1 2 I B + calculado + I B - calculado = Figura 4: Configuração para medir IB+. Compare os valores obtidos de IB+ e IB-. Segundo os fabricantes, a diferença entre esses dados não deve ultrapassar 25% do valor médio dos valores obtidos: Por que e+ foi calculado, e não medido? 5.4. INFLUÊNCIA DOS VALORES DOS RESISTORES NO ERRO – DC a) Monte o circuito da Figura 5, calcule o valor esperado pela equação ao lado, depois meça o valor prático e anote os dados na Tabela 5. R1 1k R2 10k Tabela 5: Dados do quinto ensaio. 4 2 3 - -12V 6 LM741 Vo(calculado) = Vio.Aninv + R2.IB-(calculado) = Vo + 7 +12V RL 10k Vo(calculado) = Vo(medido) = Figura 5: Amplificador inversor. b) Troque os valores dos resistores R2 para 1M e R1 para 100k. A parcela de erro DC devido a Vio não alterou, pois o ganho Aninv não mudou. No entanto, como estamos trabalhando com valores de resistores mais altos, a parcela de erro devido à corrente de polarização IB- deverá aumentar. Calcule o valor teórico esperado e meça o valor obtido. Anote-os na Tabela 6. Tabela 6: Dados do sexto ensaio. Vo(calculado)= Vo(medido) = 5.5. INFLUÊNCIA DO RESISTOR DE COMPENSAÇÃO DAS CORENTES DE POLARIZAÇÃO (Rb) Uma maneira de diminuirmos o erro devido à correntes IB+ e IB-, é fazer com que as impedâncias vistas pelas duas entradas do AmpOp em relação ao terra sejam as mesmas. No caso do circuito anterior, a impedância vista pelo terminal inversor é o paralelo das resistências de 1M e 100k. Assim, o resistor de compensação é dado por: RB = R1 // R2 = 100k // 1M Teremos então uma diminuição no erro devido às correntes de polarização, uma vez que IB- introduzirá uma parcela de polaridade negativa em VoDC. Monte o circuito da Figura 6, calcule o valor esperado e meça o valor na prática. Anote os dados na Tabela 7. R1 100k R2 1M 4 2 - 3 + LM741 Rb 100k//1M 7 -12V 6 +12V Vo RL 10k Tabela 7: Dados do sétimo ensaio. Vo(calculado) = Vio.Aninv + R2.(Iio) Vo(calculado) = Figura 6: Amplificador inversor com resistor de compensação. 5.6. Vo(medido) = AJUSTE DE OFFSET INTERNO Monte o circuito da Figura 7, meça o erro DC e atue no potenciômetro P1 de modo a zerar a tensão na saída. Chame o professor para visualização do valor zerado. R1 10k R2 100k -12V 4 2 1 - 6 LM741 3 Rb 100k // 1M Vo 5 + 7 +12V P1 10k -Vcc Figura 7: Ajuste interno de offset. RL 10k 5.7. AJUSTE DE OFFSET EXTERNO Quando o amplificador operacional não possuir pinos para ajuste de offset, isso deve ser implementado externamente. O objetivo desse ajuste é introduzir um nível DC na saída e deve ser feito de modo que não altere o ganho original do amplificador. Utilizamos um nível DC na entrada através da alimentação ± Vcc. Analisando o circuito da Figura 8, vemos que o deslocamento na saída está entre: Tabela 8: Faixa de ajuste externo de offset. − V cc⋅ R2 +V cc⋅ R 2 ≤ V o (ajuste)≤ Roff R off ≤ V o (ajuste)≤ +Vcc P1 10k Roff 1M -Vcc R2 100k Chave S R1 1k -12V 4 2 LM741 3 Rb 1k // 100k 6 Vo + 7 +12V RL 10k Figura 8: Circuito para ajuste externo de offset. Com a chave S aberta meça o erro DC na saída. VoDC = Feche a chave e ajuste VoDC = 0. Chame o professor para visualização do valor zerado. Agora, varie o potenciômetro até os limites máximo e mínimo e anote abaixo a faixa de ajuste na saída medida. _______ ≤ Vo ≤ _______ 5.8. SLEW RATE O Slew Rate indica a capacidade de variação da tensão de saída por unidade de tempo. SR= dVo dt Para teste do Slew Rate, o fabricante recomenda o circuito mostrado na Figura 9. Injete uma onda quadrada e anote a forma de onda de saída. -12V 4 2 LM741 3 10Vpp 10kHz Quadrada Vin / Vo 6 Vo +5 + 7 +12V RL 2k 100pF 50 100 150 200 250 300 [us] -5 Figura 9 - Teste do Slew Rate Obtenha o Slew Rate na prática: SR (741)= ΔVo = Δt Para o 741, o SRTÍPICO = 0,5 V/μs Para sinais senoidais é fácil deduzir que não haverá distorção devido ao SR se: SR OP≥ 2π f V o ( pico) Assim, dependendo da amplitude máxima do sinal na saída, teremos uma máxima freqüência de operação. Calcule fmáx de acordo com a tabela a seguir. Aplique um sinal senoidal com a amplitude de acordo com a tabela a seguir e com freqüência de 100 Hz. Monitore a entrada no canal 1 do osciloscópio e a saída no canal 2. Ajuste os canais de maneira que os sinais fiquem sobrepostos na melhor escala possível. Aumente gradativamente a freqüência até começar a surgir a distorção no sinal de saída. Anote a máxima freqüência sem distorção na Tabela 9. Tabela 9: Distorção devido ao Slew Rate. Vo = Vi fmáx = SRop 2 π Vo(pico) fmáx(medida) 2VPP 8VPP 16VPP 5.9) Explique de forma clara e objetiva o que você entendeu sobre as correntes de polarização de entradas (IB, IB+, IB-) , tensão Offset das entradas e Slew Rate.
