Introdução aos Amplificadores Operacionais

Eletrônica Aplicada – Prof. Marcílio Nunes
INTRODUÇÃO AOS AMPLIFICADORES
OPERACIONAIS – 1º TRIMESTRE
1.1. Introdução
O Amplificador Operacional é um dos componentes mais utilizados em circuitos
eletrônicos, pois combina algumas características interessantes:
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Manuseio simples,
Baixo custo, pois é produzido em grande escala,
Extremamente confiável,
Projetado para um grande número de aplicações diferentes,
Apresenta-se como um Amplificador Ideal nas aplicações em geral.
Podemos definir o Amplificador Operacional (chamaremos AmpOp daqui por
diante) como sendo um amplificador de tensão CC, multiestágios, com entrada
diferencial, cujas características se aproximam de um amplificador idealizado (sem
erros).
Vemos no diagrama de blocos abaixo seus principais estágios, que são:
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Estágio diferencial de entrada,
Estágio de ganho e condicionamento do sinal,
Estágio amplificador de saída a transistor.
Historicamente, os AmpOps foram desenvolvidos na década de 40 e foram
construídos com válvulas. Com o advento do transistor, foi possível a construção
de AmpOps melhores. Em 1963 surgiu o primeiro AmpOp lançado pela Fairchild
(USA), o µA702, mas este amplificador apresentava alguns problemas e, em
1965, foi lançado o µA709. O conhecido µA741 foi lançado em 1968 pela mesma
empresa, ocupando até hoje posição de destaque. A tecnologia utilizada na
fabricação do 741 é denominada Bipolar, pois sua estrutura interna utiliza
transistores bipolares. Atualmente há outros tipos de AmpOps que utilizam
tecnologia BIFET, JFET, etc.
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1.2. Amplificador Diferencial
Como vimos anteriormente, o amplificador diferencial é usado como estágio de
entrada do AmpOp, determinando as características de entrada. Dado a
configuração diferencial abaixo:
Onde: V1, V2 Entradas de sinais CC e CA
VO diferença de potencial entre os coletores (CA ou CC)
No caso ideal, os transistores possuem rE’ e β iguais e os resistores de coletor RC
são idênticos.
Quando V1 > V2 A saída será em fase com V1
Quando V2 > V1 A saída será em fase com V2
Este Tipo de amplificador amplifica as diferenças de tensão de entrada V1 e V2.
Assim, VO = AV . (V1 - V2)
Convencionou-se chamar de:
V1 Entrada não-inversora (+)
Entrada inversora (-)
V2 AV Ganho de tensão
A figura abaixo é um diagrama simplificado de um amplificador operacional LM741, o mais
popular, e um dos mais antigos:
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1.3. Amplificador Operacional
É um amplificador de tensão integrado em uma única pastilha - “chip” - com a
entrada conectada de forma diferencial e que possibilita controlar o ganho de
tensão.
PINAGEM TÍPICA:
1 : Destinado ao ajuste de Off-Set de tensão
2 : Entrada Inversora (-)
3 : Entrada não-inversora (+)
4 : Alimentação negativa (-3V até -18V)
5 : Destinado ao ajuste de Off-Set de tensão
6 : Saída
7 : Alimentação positiva (+3 V até +18V)
8 : Não conectado (NC)
Características do Amplificador Operacional Ideal
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Impedância de entrada infinita;
Impedância de saída igual a zero;
Ganho de tensão infinito;
Linear (VO proporcional a VIN );
Tempo de resposta nulo (Slew-rate);
Um Amp. Op. pode ser
entendido como um circuito
amplificador de alto ganho,
onde a entrada é
representada por uma
resistência de alto valor e a
saída por uma fonte de
tensão controlada e uma
resistência em série.
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2.1. Modos de Operação do Amplificador Operacional
2.1.1. Sem realimentação
Este modo é denominado “operação em malha aberta”, cujo ganho diferencial não
temos acesso e nem podemos controlá-lo, porém é usado como circuito
comparador de duas tensões.
VO = AV . (V1 - V2)
Onde:
VO = Tensão de Saída
V1 = Tensão na Entrada Não-Inversora
V2 = Tensão na Entrada Inversora
AV = Ganho em malha aberta (sem
realimentação)
V1 > V2 Vo = +Vcc
Quando: V1 < V2 Vo = -Vcc
Quando:
2.1.2. Com realimentação positiva
Realimentar significa que uma fração
da tensão de saída é re-injetada numa
das entradas. Se esta entrada for a
entrada + , então temos a
realimentação positiva. Esse tipo de
realimentação é instável e por isso
usado em osciladores.
2.1.3. Realimentação Negativa:
Este tipo é o mais importante meio de
realimentação, pois estabiliza o sinal e
tende a aproximar as características do
amplificador real com o ideal (ZIN → ∞,
ZO → 0, A → constante). Existem muitas
aplicações dentro da eletrônica usando este
tipo de realimentação.
O grande mérito da realimentação negativa
é que podemos controlar (variar) o ganho de
tensão, e estabilizá-lo num valor desejado.
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2.2. Análise da Realimentação Negativa
VI = sinal de entrada
VD = diferença VI - VF ou sinal de erro
VF = fração de VO realimentada
VO = tensão de saída
AV = Ganho de tensão do AOP em
malha aberta
B = fator de redução de VO
Vamos calcular o valor de Vo:
Substituindo Vd e Vf na primeira equação temos:
Resolvendo a equação temos:
Como Av*B é >> 1 (muito maior que 1, pois Av tende a infinito) temos:
Então:
Ganho finito (cqd)
Com a realimentação negativa, o ganho do AmpOp (Vo/Vi) é finito, fixo.
Este ganho é chamado também de ganho de malha fechada (Avf).
Portanto, podemos controlar o ganho de tensão através do circuito de
realimentação tornando-o independente do Ganho do AOP em malha aberta.
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2.3. Conceito de Curto-Circuito Virtual e Terra Virtual
Devido a resistência de entrada do AOP ser “infinita”, então a corrente de entrada
é praticamente nula nos terminais inversor e não-inversor. A corrente de
polarização na base do estágio diferencial de entrada é tipicamente muito baixa
(80 nA) e RENT próxima de 2 MΩ. Graças a realimentação negativa, há uma
tendência a se igualarem as tensões VA e VB quando AV → ∞ e fazer com que a
VD = 0 independente dos valores de V1 e V2.
Curto-circuito virtual: como VD = 0 e IB = 0 (idealmente), então temos o conceito de
curto-circuito por ser a tensão diferencial igual a zero. Porém como IB também é
igual a zero (o que nos induziria a pensar num circuito aberto), este "curto circuito"
é chamado de “virtual”. Quando a entrada não-inversora (V+) é aterrada, e como
IB = 0 (idealmente), podemos afirmar que o terminal de terra “aparece” no terminal
negativo (V-). A este caso especial denominamos “terra virtual”.
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3. CIRCUITOS LINEARES BÁSICOS COM AOP
3.1. Amplificador inversor
VI = Tensão de Entrada
VO = Tensão de Saída
Assim chamado porque inverte o sinal de entrada em 180° e permite amplificar o
sinal de acordo com o ganho preestabelecido.
Analisaremos todos os circuitos com AOP, usando a técnica de resolução de
circuitos conhecida como LCK - Lei das Correntes
de Kirchoff, aplicadas ao nó “a” (na entrada inversora do AOP).
No nó “a”, temos que I1 = IF + IB.
I1 =
VI − V A
R1
e
IF =
V A − VO
RF
Como IB → 0, isto é, a corrente de entrada do AOP é praticamente nula, podemos
afirmar que:
VI − V A V A − VO
Como VA = 0V devido ao curto-circuito virtual, temos que:
=
R1
RF
VI − VO
=
R1
RF
R 
VO = − F VI Tensão de Saída do Amplificador Inversor
 R1 
O Ganho em Malha Fechada (Avf) do circuito pode ser calculado pela relação:
Ganho =
Saída
Entrada
Avf =
VO
VI
Avf = −
RF
R1
Ganho em Malha Fechada do
Amplificador Inversor
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