28/10/2010 IFBA CELET – Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica Professor:: Edvaldo Moraes Ruas, EE Professor Vitória da Conquista, 2010 2a Parte Introdução Amplificador Operacional 1 28/10/2010 Amp-Ops A maioria são dispositivos de baixas potências de menos de 1 W; Alguns Amp-Ops são fabricados otimizando: • largura de banda; • baixos offsets de entrada; • baixo ruído. São componentes ativos básicos com os quais podemos construir conversores de formas de onda, osciladores, filtros ativos e outros circuitos. Estrutura básica de Amp-Op Como o Amp-Dif é o primeiro estágio, ele determina as características de entrada. Amp-Ops Símbolo e Circuito Equivalente de um Amp-Op Quando é necessário uma impedância de entrada maior, pode ser obtida utilizado um Amp Amp-Op Op BIFET; Que incorpora JFETs e transistores bipolares no mesmo chip; JFETs para estágios de entrada para menores correntes de polarização e de offset de entrada; TBJ para os estágios posteriores para um maior ganho de tensão. 2 28/10/2010 Amp-Ops Características dos Amp-Ops LF157 é um exemplo de um Amp-Op BIFET. Amp-Op 741 O LM741C é um Amp-Op padrão comercializado desde da década de 1960, sendo o mais barato e mais usado; O 741 tem diferentes versões numeradas como 741, 741A, 741C, 741E e 741N; As diferenças entre elas estão no ganho de tensão, na faixa de temperatura, no nível de ruído e em outras características; Por ser um padrão, usaremos o 741 como dispositivo básico em nossas discussões; Encapsulamentos 3 28/10/2010 Amp-Op 741 Amp-Dif na Entrada Estágio de entrada é Q1 e Q2; Q14 é uma fonte de corrente, substitui RE; Q13 e Q14 - espelho de corrente; Q4 - carga ativa, corresponde a RC, atua como fonte de corrente, com uma impedância muito alta; Por isso o ganho de tensão é maior; O sinal amplificado do Amp-Dif aciona a base de Q5, que é um seguidor de emissor; Esse estágio aumenta a impedância para evitar uma queda no sinal por efeito de carga; Os diodos Q7 e Q8 são parte da polarização do estágio final; Q11 é um resistor de carga ativa para Q6, portanto, Q6 e Q11 são como um estágio EC. Estágio Final Amp-Op 741 O sinal amplificado sai do estágio EC (Q6) e vai para o estágio final, o qual é um seguidor de emissor push-pull classe B (Q9 e Q10); Devido à fonte ser dividida, a saída quiescente é idealmente 0V quando a tensão de entrada é zero; Qualquer desvio do 0 V é denominado tensão de erro de saída. 4 28/10/2010 Amp-Op 741 Compensação de Frequência Uma pequena capacitância de compensação Cc do circuito, devido o efeito Miller, corresponde a uma capacitância equivalente muito maior; A resistência vista pela capacitância Miller é a impedância de saída do Amp-Dif; Portanto, temos um circuito de atraso que produz uma frequência de corte de 10 Hz para um 741. Amp-Op 741 Polarização e Offsets Conforme discutido anteriormente um AmpOp tem polarização de entrada e offsets que produz um erro de saída quando não existe sinal na entrada;; O erro devido a corrente de polarização pode ser eliminado usando dois resistores de base iguais; O erro devido a corrente e tensão de offset pode ser eliminado utilizando um potenciômetro quando no CI existe um circuito interno para esse fim; fi Ou quando não existe, aplicando uma pequena tensão na entrada para cancelar a saída; O circuito interno também minimiza o drift térmico, que é uma variação lenta na tensão de saída causada pela variação de temperatura. 5 28/10/2010 Amp-Op 741 Razão de Rejeição em Modo Comum Um CMRR de 90 dB significa que o sinal desejado é 30.000 vezes maior que o sinal de modo comum; Saída de Pico a Pico Máxima A tensão vout de um Amp-Op pode ser aproximadamente tão positiva quanto +VCC e tão negativo quanto –VEE, antes que o ceifamento ocorra; Corrente de Curto-Circuito Em algumas aplicações, um Amp-Op pode acionar uma resistência de carga de aproximadamente zero; O que produz d uma tensão t ã de d saída íd baixa. b i Ganho de Tensão Como o ganho de tensão de um Amp-Op é muito alto, os offsets de entrada podem saturar o Amp; Por isso os circuitos práticos necessitam de componentes externos entre a entrada e saída para estabilizar o ganho de tensão. Amp-Op 741 Resposta em Frequência Ganho para um 741C Slew rate O capacitor de compensação interno do 741 visto anteriormente evita oscilações que poderiam interferir no sinal desejado; Porém existe uma desvantagem, ele precisa ser carregado e descarregado; O que limita a velocidade na mudança da tensão de saída de um Amp-Op; 6 28/10/2010 Amp-Op 741 Slew rate A inclinação inicial da forma de onda exponencial é o Slew rate, que é a taxa de variação; SR = ∆vout . ∆t Podemos também ter uma limitação de Slew rate com sinal senoidal; Se a onda senoidal de saída for muito pequena ou a frequência for muito baixa, a Slew rate não será problema; Mas quando o sinal for grande e a frequência alta, a Slew rate provocará uma distorção na saída; A maior frequência que pode ser amplificada sem distorção por Slew rate é dada por: fmáx = SR . 2πVP Amplificador Inversor Esse circuito usa uma realimentação negativa para estabilizar o ganho de tensão; Realimentação Negativa Se por qualquer motivo a tensão de saída aumenta, a tensão de realimentação oposta reduz v2; Portanto, ainda que o ganho de malha aberta tenha aumento a saída final aumenta muito menos do que ocorreria sem a realimentação. 7 28/10/2010 Amplificador Inversor Terra Virtual Esse tipo de terra é bastante usado na análise de um amplificador inversor; O conceito é baseado no Amp-Op ideal, o qual estabelece que ganho de tensão e resistência de entrada de um Amp-Op em malha aberta é infinito; O que nos permite deduzir que: • Como Rin é infinito, i2 é zero; • Como AVOL é infinito, v2 é zero. Como i2 é zero a corrente através de Rf é igual à corrente de entrada através de R1; Além disso como v2 é zero o terra virtual informa que a entrada inversora atua como terra para tensão, mas um circuito aberto para corrente. Amplificador Inversor Ganho de Tensão entrada vin = iinR1 saída vout = – iinRf portanto o ganho de tensão de malha fechada é: Av(CL) = – Rf . R1 Impedância de Entrada Em um amplificador inversor é fácil estabelecer uma impedância de entrada. zin(CL) = R1 8 28/10/2010 Amplificador Inversor Largura de Banda A largura de banda em malha aberta ou a frequência de corte de um Amp-Op é muito baixa por causa do capacitor de compensação interna; • Exemplo: f2(CL) ( ) = 10 Hz para 741C Quando a realimentação é usada a Largura de Banda aumenta; Quanto maior a realimentação negativa, maior a frequência de corte em malha fechada. f2(CL) = funitário . Av(CL) ( )+1 quando Av(CL) > 10 temos: f2(CL) = funitário . (sem inversão) Av(CL) funitário = Av(CL) f2(CL) Amplificador Inversor Polarização e Offsets A realimentação negativa reduz o erro de saída; Verro = AVOL (V1erro V2erro V3erro) Quando Q d a realimentação li t ã negativa ti é usada: d Verro ≈ AV(CL) (V1erro ± V2erro ± V3erro) V1erro = (RB1 – RB2)Iin(bias) Corrente de Polarização de Entrada; V2erro = (RB1 + RB2) Iin(off) Corrente de Offset de Entrada; 2 V3erro = Vin(off) Tensão de Offset de Entrada; 3 i ( ff) Quando AV(CL) é pequeno o erro de saída total pode ser pequeno o suficiente para ser ignorado; Caso contrário, será necessário um resistor de compensação e cancelamento de offset. RB2 = R1 || Rf 9 28/10/2010 Amplificador Não-Inversor Da mesma forma esse circuito usa realimentação negativa para estabilizar o ganho de tensão total; Ela também aumenta a impedância de entrada e diminui a impedância de saída. Curto-Circuito Virtual Circuito Ci i Básico Bá i Duas propriedades a seguir de um amp-op ideal: • Visto que Rin é infinita, as correntes nas duas entradas são zero; • Visto que AVOL é infinito, v1 – v2 é zero. Amplificador Não-Inversor Ganho de Tensão Entrada vin = i1R1 Saída vout = i1 (Rf + R1) Ganho de Tensão Av(CL) = Rf + R1 R1 ou Av(CL) = Rf + 1 R1 A saída está em fase com a entrada. 10 28/10/2010 Amplificador Não-Inversor Outros Parâmetros A impedância de entrada em malha aberta é alta (2 MΩ para um 741C); A impedância de entrada de malha fechada será maior ainda; Largura L de d banda: b d f2(CL) = funitário . Av(CL) Quanto menor o ganho de tensão em malha fechada, maior a largura de banda; As tensões de erro são analisadas da mesma forma que no caso do Amp Inversor; A resistência de Thévenin vista pela entrada inversora. RB2 = R1 || Rf Para compensar a corrente de polarização de entrada usamos na entrada nãoinversora. RB1 = RB2 Amplificador Não-Inversor Tensão de Erro de Saída Reduz o MPP MPP = a máxima tensão de saída sem ser ceifada; A figura “b” mostra a tensão de saída sem ser ceifada, 28V; A figura “c” mostra a tensão de saída com uma redução pela tensão de erro de saída. 11 28/10/2010 Duas Aplicações do Amp-Op Amplificador Somador É um circuito que soma dois ou mais sinais analógicos em uma única saída; Av1(CL) = – Rf . Av2(CL) = – Rf . R1 R2 como: iin = i1 + i2 = v1 + v2 R1 R2 Saída vout = (i1 + i2) Rf = – Rf v1 – Rf v2 R1 R2 vout = Av1(CL) v1 + Av2(CL) v2 Resistência de Thévenin RB2 = R1 || R2 || Rf || ... || Rn Duas Aplicações do Amp-Op Amplificador Somador Se todos os resistores forem iguais: vout = – (v1 + v2 + ... + vn) Misturador (mixer), uma maneira conveniente de combinar sinais de áudio em um sistema de áudio de alta fidelidade; Os resistores ajustáveis nos permitem ajustar o nível de cada entrada e o controle de ganho o volume de saída dos dois sinais. 12 28/10/2010 Duas Aplicações do Amp-Op Seguidor de Tensão É um circuito perfeito porque produz uma tensão de saída exatamente igual à tensão de entrada; Saída vout = vin Ganho de Tensão Av(CL) = 1 Largura de Banda f2(CL) = funitário Além da vantagem de alta impedância de entrada e baixa impedância de saída; É a interface ideal para uma fonte de alta impedância e uma carga de baixa impedância. 13