Amplificador Operacional Introdução Característica de t

EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 10 EEL/CTC/UFSC Introdução teórica Aula 10: Amplificador Operacional Introdução O amplificador operacional é um componente ativo usado na realização de operações aritméticas envolvendo sinais analógicos. Algumas das operações que se podem realizar com amplificadores operacionais são (soma, diferença, integração e logaritmo). O símbolo do amplificador operacional é apresentado na figura 1. +VCC e –VCC são as tensões de alimentação do amplificador operacional. Alguns amplificadores operacionais também podem ser alimentados com +VCC e 0V. A tensão de saída, vo, está limitada pelas tensões de alimentação (neste caso, vo ∈ [−VCC, +VCC]). Figura 1: Símbolo de amplificador operacional Tipicamente, um amplificador operacional é composto por: • Um par diferencial, como estágio de entrada do amplificador operacional • Blocos para aumentar o ganho de tensão ou corrente • Blocos para compensar as características não-­‐ideais dos transistores • Estágio de saída para fornecer elevadas correntes de saída O amplificador operacional é normalmente realizado num circuito integrado composto por cerca de 30 transistores. O funcionamento interno de um amplificador operacional é complexo, mas a análise em termos das tensões e correntes aos seus terminais é muito simples. Os amplificadores operacionais amplificam a diferença de tensão aplicada nas entradas v+ e v− segundo a equação vo=A(v+−v−), onde A representa o ganho de tensão do amplificador operacional. O ganho pode atingir valores da ordem de 105 a 106. Os amplificadores operacionais apresentam uma resistência de entrada elevada (tipicamente maior que 1MΩ). A resistência de saída de um amplificador operacional é baixa (tipicamente inferior de 100Ω). Característica de transferência Para um amplificador operacional ideal considera-­‐se que: • Resistencia de entrada é infinita, desta forma as correntes são nulas nas entradas v+ e v−. • Resistencia de saída é igual a zero desta forma a tensão de saída, vo, não depende da carga. • Ganho infinito na zona linear vo=A(v+−v−) desta forma v+= v−. • Nas zonas de saturação verifica-­‐se que quando v+ > v−, vO = +VCC (sat. positiva), e quando v+ < v−, vO =−VCC (sat. negativa). 1/6 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 10 EEL/CTC/UFSC Exemplos de configurações usando amplificadores operacionais Seguidor de Tensão A figura 2 mostra a configuração seguidora. Considerando que o amplificador operacional é ideal tem-­‐se v+ = v− na zona linear. Por análise do circuito verifica-­‐se que v+ = vIN e v− = vOUT e vIN= vOUT. Figura 2: Configuração seguidor de tensão. Montagem inversora A figura 3 mostra a configuração inversora. Considerando que o amplificador operacional é ideal tem-­‐se v+ = v−, desta forma v+ = v− =0. Figura 3: Configuração inversora. Por outro lado sabemos que não existe corrente na entrada do amplificador operacional, desta forma i1+i2=0: Obtendo finalmente uma relação inversora (negativa): 2/6 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 10 EEL/CTC/UFSC Roteiro de laboratório Aula 10: Amplificador Operacional Lista de material •
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Osciloscópio, gerador de sinais e multímetro; Resistores R1 = 100Ω, R2 = 470Ω, R3 = 1kΩ, LED e potenciômetro de 1kΩ; Amplificador operacional UA741 ou equivalente. Instruções A figura abaixo mostra a pinagem do amplificador operacional 741 no encapsulamento DIP. Roteiro da experiência 1) Monte o circuito abaixo, utilizando uma alimentação simétrica ±15V e uma entrada triangular de 20Vpp, Vmed = 0 e 1kHz. Inicialmente utilize Vx = 0V. a) Esboce o sinal de saída (CH2) juntamente com o sinal de entrada (CH1), na mesma escala e posição vertical. No gráfico, indique também o valor correspondente a Vx. (Gráficos disponíveis no final do roteiro). b) Altere Vx para 5V e repita o item anterior. c) Por que este circuito é chamado de comparador? Explique. (Dica: considerando que tensão alta corresponde a “Sim” e tensão baixa corresponde a “Não”, pode-­‐se afirmar que a saída do circuito fornece a “resposta” a uma certa “pergunta”. Que pergunta é essa?) 3/6 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 10 EEL/CTC/UFSC 2) Monte o circuito abaixo, utilizando uma alimentação simétrica ±15V e uma entrada senoidal de 4Vpp, Vmed = 0 e 1kHz. Mostre a entrada no CH1 e a saída no CH2, ambos em acoplamento CC. Deixe ambos os canais na posição vertical de 0.00V. Lembre de ajustar o DC OFFSET do gerador de sinais de tal forma que o sinal produzido tenha valor médio aproximadamente nulo. a) Verifique se a saída do circuito obedece a seguinte relação: 𝑅!
𝑉!"# = 1 +
𝑉 𝑅! !"
b) Calcule, utilizando a equação anterior, o valor de R2 para que o amplificador apresente um ganho igual a 4. c) Substitua o resistor R2 pelo potenciômetro e ajuste seu cursor até que o ganho do amplificador seja igual a 4. Lembre-­‐se que, para determinar o ganho, basta dividir a tensão de saída (CH2) pela tensão de entrada (CH1). Retire o potenciômetro do circuito e meça a resistência entre os dois terminais utilizados na montagem. O valor medido está próximo ao calculado no item b)? d) Determine os níveis de tensão (positivo e negativo) nos quais ocorre saturação do amplificador operacional. Qual é o maior valor de R2 para o qual o circuito amplifica o sinal de entrada sem distorcer? e) (OPCIONAL) Quais das suas respostas aos itens anteriores mudariam caso o sinal de entrada fosse de 2Vpp? (OBS: não é preciso refazer as questões, apenas respondê-­‐las teoricamente.) 4/6 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 10 EEL/CTC/UFSC Aluno(a): ______________________________________________________. Turma: ______________________ Matrícula: _______________________ Data: _____/_____/__________ Nota: ________________________ Questão 1.a)
Questão 1.b)
Questão 1.d)
5/6 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 10 EEL/CTC/UFSC Questão 2.b)
Questão 2.c)
Questão 2.d)
Opcional: Questão 2.e)
Questão de preparação
Qual é a relação de VOUT com VIN e no seguinte circuito se R1=R2? É uma configuração inversora ou não inversora? 6/6