1 AMPILFICADOR OPERACIONAL (FUNDAMENTOS) -

1 AMPILFICADOR OPERACIONAL (FUNDAMENTOS)
inferior com -15V e os dois barramentos
centrais com GND.
Objetivos
Nesta experiência faremos o primeiro
contato com o amplificador operacional e
apresentaremos os procedimentos passo
a passo que tornarão a execução dos
ensaios mais rápida e segura.
Verificaremos a grande versatilidade
do amp op implementando as configurações básicas utilizando apenas meia dúzia de componentes passivos adicionais.
Uma vez alimentado os barramentos
do protobord, alimentar o 741 através de
pequenos "jumps", também coloridos,
entre o barramento e o pino correspondente. Desta forma conseguiremos instalar diversos Circuitos Integrados com
mais organização.
+15V
0V/GND
Analisaremos o comportamento do circuito sob duas formas:
8
!
!
No tempo, observando os sinais de
entrada, vi(t), e de saída, vo(t), simultaneamente através de um osciloscópio de duplo traço.
Instalação do Amp Op no Protoboard
6
5
3
4
+
1
Função de transferência v o =f(vi ), utilizando o osciloscópio no modo x-y
x(HORIZONTAL) = sinal de entrada
y(VERTICAL) = sinal de saída
7
2
0V/GND
-15V
+15V→
0V→
1 o passo: Instalar o 741C (mini DIP) no
protoboard, com o pino 1 voltado para
o lado esquerdo inferior (lado chanfrado no lado esquerdo).
2 o passo: Instalar os fios da alimentação. +15V ao pino 7 do 741C (fio vermelho), -15V ao pino 4 do 741C (fio
verde) e 0V ao barramento GND do
protoboard (fio preto).
Manter a alimentação desligada toda
vez que for montar ou modificar um
circuito.
Se o protoboard possuir barramento
duplo (régua estreita com dois barramentos), alimentar o primeiro barramento superior com +15V, o primeiro barramento
EFEI - IEE / DON
Kazuo Nakashima
0V→
-15V→
Figura 1: Lay Out e pinagem do 741C.
Para interligar os componentes eletrônicos, utilize fios rígidos, encapados,
de bitola correspondente a 22, 24 ou
26 AWG. Os LEADS dos demais componentes devem apresentar a bitola correspondente.
Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos
Endireitar os leads dos componentes
e a parte desencapada dos fios com o alicate de bico. Não force a introdução
dos leads tortos nos contatos do protoboard; se isto acontecer, os contatos do
proto-board serão danificados permanentemente. Utilize o alicate de corte para
cortar os LEADS e fios no tamanho adequado.
A fiação da alimentação deve ser bem
feita e de modo a não atrapalhar a instalação dos demais componentes uma
vez que ela permanecerá em quase todas montagens.
É boa prática não desconectar a alimentação quando for desmontar um
circuito para montar outro.
3 o passo: Planejar a construção do circuito e esboçar mentalmente um Lay
Out da montagem. Procure manter a
disposição dos componentes como no
diagrama esquemático.
4 o passo: Completar o circuito conforme
o diagrama esquemático utilizando o
menor número de fios possível e de
forma a facilitar a substituição do amp
op.
A partir deste ponto, as ligações de alimentação não serão mais indicadas
no diagrama esquemático. Fica subentendido, no entanto, que o amp op deve ser alimentado com ±15V. Para o
741C, pino 7=+15V, pino 4=-15V, e a linha de terra (comum do circuito) ao
ZERO da fonte simétrica de ± 15V
Sinal de entrada = canal CH1
Sinal de saída
= canal CH2
Uma vez que a alimentação padrão
dos circuitos a amp op é ±15V, todos os
sinais estarão compreendidos dentro
desta faixa. Se calibrarmos o osciloscópio em 5V/DIVISÃO, acoplamento DC
(importante), e com os traços centrados
na tela, qualquer sinal será captado pelo
osciloscópio dentro das 6 divisões centrais da tela.
O acoplamento DC permite verificar a
presença de nível contínuo e, por exemplo, medir a tensão da fonte de alimentação. Além disso, o acoplamento AC
pode distorcer a forma de onda nos sinais de baixa freqüência.
O sincronismo (Trigger) deve ser feito
preferencialmente pelo sinal de entrada,
CH1, modo NORMAL ou AUTOMÁTICO,
SLOPE+.
Neste tipo de ensaio o sinal de excitação pode ser senoidal, triangular ou
quadrada.
Localização de defeitos
1. Se o amp op estiver saturado positivamente e não responder ao sinal de
excitação, verifique a alimentação negativa (pino 4=-15V). Se estiver correto verifique se o terminal da entrada
não inversora (pino 3) está corretamente conectado ao circuito.
Osciloscópio
2. Se o amp op estiver saturado negativamente, verifique primeiro a alimentação positiva (pino 7=+15V). Se estiver correto, verifique o terminal da entrada inversora.
A análise no domínio do tempo consiste em observar simultaneamente as formas de onda de entrada e saída, Vi(t) e
Vo(t), através de um osciloscópio de dois
canais.
3. Se tudo isto estiver correto, verifique
a temperatura do amp op. Em condições normais a temperatura do corpo
(case) deverá ser próxima da temperatura ambiente.
Para facilitar a execução das experiências é comum adotar a seguinte convenção:
EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima
2
Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos
Observe no oscilograma acima que o
amp op muda de estado quando e-=e+,
neste caso igual a zero.
1) C OMPARADOR I NVERSOR
Vi
10k
+Vcc
2
-
7
6
10k
3
+
4
-Vcc
Vo
2k
Observe ainda que a saída muda para
negativo quando ao sinal de entrada vai
para positivo. O sinal de saída tem polaridade invertida em relação ao de entrada.
"
"
Ligar primeiro a fonte de alimentação
de ±15V e em seguida o gerador de
sinais (v i ).
"
Ajustar o gerador de funções em:
SENO, 100Hz, 4Vpp.
"
Observar vi = f(t) e vo = f(t). Faça um
posicionamento, vertical e horizontal
adequado. Desenhe as formas de onda indicando o nível zero, amplitudes
e tempos.
"
Ajuste os comandos do osciloscópio
conforme indicado no oscilograma. Na
parte inferior estão definidos pela ordem
CH1=2V/DIV,
CH2=5V/DIV,
H=2mSEC/DIV.
Mude o comando do osciloscópio para operação x-y (x = vi ). Posicione
corretamente os eixos x-y (ou ponto
0-0).
Você estará observando a função de
transferência deste circuito.
Para centrar o eixo, mude a chave ACGND-DC de CH1 para GND. Posicione o
traço horizontalmente atuando no botão
HORIZONTAL POSITION. Volte esta
chave para posição DC.
Mude a chave AC-GND-DC de CH2
para posição GND. Posicione o traço
verticalmente atuando no botão VERTICAL POSITION de CH2. Volte esta chave
para posição DC.
0V
0V
CH1:2V/DIV
CH1:2V/DIV
CH2:5V/DIV
CH2:5V/DIV
H:XY
H:2mSEC/DIV
No amp op em malha aberta o amp op
estará sempre saturado.
VSat + ⇒ ( e+ − e− ) > 0
VSat − ⇒ ( e+ − e− ) < 0
EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima
Observe que no eixo X o sinal ocupa
duas divisões de 2V/DIV, ou seja, 4Vpp.
No eixo Y o sinal varia entre V SAT+ e
V SAT- , não necessariamente simétricas. O
oscilograma indica V SAT+ =+14,5V e V SAT=-14,5V.
3
Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos
2) COMPARADOR NÃO INVERSOR
10k
3) AMPLIFICADOR NÃO INVERSOR
R f =20k
-
R i =10k
-
R=10k
+
2k
10k
+
2k
0V
0V
CH1:2V/DIV
CH2:5V/DIV
H:2mSEC/DIV
CH1:2V/DIV
CH2:2V/DIV
H:2mSEC/DIV
0V
0V
CH1:2V/DIV
CH2:5V/DIV
H:XY
Observe que a saída está sempre saturada e muda de estado quando e+=e-.
O sinal de saída tem a mesma polaridade do sinal de entrada uma vez que estamos aplicando o sinal de excitação na
entrada não inversora do amp op.
CH1:2V/DIV
CH2:2V/DIV
H:XY
O sinal de saída não satura devido à
realimentação negativa e tem a mesma
polaridade do sinal de entrada porque
estamos aplicando o sinal de excitação
na entrada não inversora do amp op.
Não desmonte o circuito.
Neste amplificador
"
Complete o circuito conforme o diagrama esquemático do amplificador
não inversor instalando um resistor
entre o terminal de saída e o terminal
de entrada inversora, fechando uma
Realimentação Negativa.
EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima
Vo R f
20 k
=
+ 1=
+ 1= 3
Vi
Ri
10 k
4
Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos
4) AMPLIFICADOR INVERSOR
5)
COMPARADOR COM HISTERESE NÃO INVERSOR .
R f =20k
10k
Vi
R i =10k
-
Vo
R=10k
10k
+
+
2k
2k
nR=20k
Vi=TRIANGULAR, 100Hz, 20Vpp
0V
0V
CH1:2V/DIV
CH2:2V/DIV
H:2mSEC/DIV
CH1:5V/DIV
CH2:5V/DIV
H:2mSEC/DIV
0V
0V
CH1:2V/DIV
CH2:2V/DIV
H:XY
CH1:5V/DIV
O sinal de saída está invertido em relação ao sinal de entrada porque o sinal
de excitação é aplicada na entrada inversora do amp op.
Rf
Vo
20 k
=−
=−
= −2
Vi
Ri
10 k
Observe que o circuito do amplificador
inversor é o mesmo que circuito do amplificador não inversor. Muda apenas o
terminal onde é aplicado o sinal de entrada.
EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima
CH2:5V/DIV
H:XY
Observe que o sinal de saída está
sempre saturada, tem a mesma polaridade que o sinal de entrada e muda de
estado em dois níveis diferentes do sinal
de entrada (dois pontos de trip) formando um ciclo de histerese.
Devido à realimentação positiva, a
comutação é mais rápida.
5
Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos
6) COMPARADOR COM
HISTERESE INVERSOR .
10k
-
7) MULTIVIBRADOR
( OSCILADOR DE RELAXAÇÃO ).
R f =100k
R=10k
C=100nF
+
-
2k
R=10k
nR=10k
+
2k
nR=20k
OBS.: Este circuito é um oscilador e
NÃO necessita do gerador de funções
para funcionar
0V
Neste circuito existem simultaneamente os dois tipos de realimentação: positiva e negativa. A instabilidade neste tipo
de circuito se reflete em uma oscilação.
CH1:5V/DIV
CH2:5V/DIV
H:2mSEC/DIV
Freqüência =
[Hz]
0V
0V
CH1:5V/DIV
CH2:5V/DIV
H:XY
Observe a característica inversora
deste circuito e a histerese menor. Se
você mudar CH2 para e+, você perceberá que o amp op muda de estado exatamente quando e-=e+.
O diagrama esquemático do comparador com histerese (realimentação positiva) é muito parecido com o diagrama esquemático do amplificador (realimentação negativa). O comportamento do circuito é muito diferente devido à diferença
fundamental no tipo de realimentação.
EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima
CH1:5V/DIV
CH2:5V/DIV
H:2mSEC/DIV
A freqüência de oscilação depende do
produto R f* C, da histerese e de V SAT .
Uma vez que V SAT NÃO é um valor preciso, esta freqüência não será precisa.
"
Complete o circuito adicionando um
diodo 1N4148 e um resistor de 1k.
6
Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos
8) O SCILADOR PONTE W IEN
1k
R f =20k
R f =100k
-
C=100nF
-
R i =10k
Vo
R
+
R=10k
2k
+
2k
C
R=15kΩ
nR=20k
C
R
C=10nF
Obs:. Se o circuito não oscilar, instale
um resistor de 1M Ω em paralelo à Ri.
"
Meça a amplitude e a freqüência do
sinal de saída.
Pela teoria, a freqüência de oscilação
é f osc = 1 / 2π R C =1,061kHz e a amplitude igual a V SAT .
f OSC MEDIDO =
"
[Hz]
Inverta a polaridade do diodo.
0V
CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:0.2mSEC/DIV
Verifique se a relação entre o intervalo
alto e o intervalo baixo é próximo do valor entre a resistência de 100k e 1k.
O ganho de tensão é muito crítico neste circuito. Abaixo de 3, o circuito não
oscila. Muito acima de 3 a distorção aumenta.
Para aumentar o ganho de tensão,
basta aumentar Rf ou diminuir Ri.
"
EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima
Instalar um resistor de 100k em paralelo à Ri.
7
Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos
C ONCLUSÕES
1. Utilizando pouquíssimos componentes
passivos adicionais implementamos
diversos circuitos de comportamentos
diferentes.
2. A função que o amp op executa e a
precisão do circuito depende destes
componentes adicionais.
3. Observamos a grande diferença de
comportamento entre a realimentação
negativa e realimentação positiva.
4. A tensão de saída tem a mesma polaridade que a tensão de excitação aplicada no terminal da entrada não inversora do amp op e polaridade oposta quando aplicada na entrada inversora.
5. Você deve ter observado que é muito
fácil trabalhar com amp op. Os circuitos funcionam conforme previsto.
B IBLIOGRAFIA
[1] R. F. Coughlin & F. F. Driscoll, “Operational Amplifiers and Linear Integrated
Circuits,” 4th Ed., Prentice -Hall, Boston,
1991.
[2] D. J. Dailey, “Operational Amplifiers and
Integrated Circuits, Theory and Applications,” McGraw Hill, Butler, 1989.
[3] K. Nakashima, “Amplificadores Operacionais” EFEI/FUPAI, Itajubá, 1987.
[4] A. Pertence Jr., “Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos,” Makron Books do
Brasil, 1989.
[5] G. G. Clayton, “Operational Amplifiers,”
Butterworth, London, 1971.
[6] R. A. Gayakward, “Op Amps and Linear
Integrated Circuit Technology,” PrenticeHall, Englewood Cliffs, NJ, 1983.
[7] W. G. Jung, “Op Amp Cookbook,” 2d Ed.
Howard W. Sans, 1981.
[8] W. G. Jung, “IC Timer Cookbook,” 2d Ed.
Howard W. Sans, 1983.
EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima
[9] J. C. Graeme, G. E. Tobey and
L. P. Huelsman, “Operational Amplifiers Design and Applications,” Burr-Brown /
McGraw Hill, 1971.
[10] H. W. Fox, “Master Op Amp Applications
HandBook,” Tab Books, 1978.
[11] A. P. Malvino, “Eletrônica,” Vol.2, Makron Books do Brasil, 1986.
[12] R. Boylestad and L. Nashelsky, “Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos,”
Prentice-Hall do Brasil, 1984.
[13] H. M. Berlin, “The Design of Op Amp,
With Experiments,” Howard Sans, 1983.
[14] H. M. Berlin, “The Design of Active Filters With Experiments,” Howad Sans,
1978.
[15] L. M. Faulkeberry, “An Introduction to
Operational Amplifiers with Linear IC Applications,” 2d Ed., Wiley, New York,
1982.
[16] D. Lancaster, “Active Filter Cookbook,”
Howard Sans, Indianapolis, 1981.
[17] M. E. Van Valkenburg, “Analog Filter
Design,” Holt, Rinehart & Winston, New
York, 1982.
[18] SIEMENS: a) Simadyn C Analog Control
- Catalog DA97; b) Components; c) ICs
for Industrial Electronics.
[19] BURR BROWN: Integrated Circuits Data
Books;
[20] NATIONAL SEMICONDUCTOR:
a) Linear Databook; b) Audio / Radio Handbook; c) Voltage Regulator Handbook.
[21] RCA: a) Linear Integrated Circuits; b)
COS/MOS Integrated Circuits.
[22] ANALOG DEVICES: a) NonLinear Circuits Handbook; b) Analog - Digital Conversion Notes; c) Data Acquisition Products Catalog.
[23] PMI - PRECISION MONOLITICS INC:
a) Linear and Conversion Applications
Handbook; b) Linear and Conversion
Products Databook.
[24] TELEMECANIQUE: A) Rectivar, b) Estatovar.
Itajubá, MG, Dezembro de 2006
8