revisão aop
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REVISÃO ELETRÔNICA ANALÓGICA II POR GABRIEL VINICIOS SILVA MAGANHA Revisão da matéria de Eletrônica Analógica II – Amplificadores Operacionais. HTTP://WWW.GVENSINO.COM.BR A matéria de Eletrônica Analógica II consiste no estudo de um componente eletrônico chamado Amplificador Operacional (abreviado como AOP ou Amp.Op.) Um amplificador é um circuito capaz de aumentar a intensidade de um sinal – tensão e/ou corrente utilizando uma fonte de energia externa para fazer isso. Existem 3 componentes principais utilizados em amplificação. A Válvula, o Transístor e o Amplificador Operacional. O Amplificador Operacional é um Circuito Integrado (CI) que contém dentro de si uma série de transistores, resistores, capacitores e diodos, com o objetivo de ser um amplificador o mais próximo possível do ideal e que sirva para quase todos os propósitos. E o que é um amplificador ideal? Um amplificador ideal é aquele que tem as seguintes características: Característica Ideal Real – AOP 741 Ganho Máximo de Tensão (Av) Resposta em Frequência (BW) Impedância de Entrada (Zi) Impedância de Saída (Zo) Insensibilidade à Temperatura ∞ 200.000 Real – AOP CA3140 100.000 ∞ >1MHz >5MHz ∞ 2MΩ 1,5TΩ 0Ω 75Ω 60Ω Imune à temperatura Baixa influência da temperatura Baixa influência da temperatura Para estudar: você lembra do porquê de cada uma dessas características? Procure revisá-las com o seu colega! Simbologia 7 U1 Pinagem Padrão: U2 3 6 OPAMP 4 1 5 2 741 Simplificada Completa 1 e 5 – Ajuste de Offset 2 – Entrada Inversora 3 – Entrada Não-Inversora 4 e 7 – Alimentação (- e +) 6 - Saída Fórmula geral dos Amplificadores Ganho (Av): é o número de vezes que o sinal de entrada será amplificado na saída. O ganho, por padrão, não tem uma unidade de medida, embora haja a unidade dB (decibel) que possa ser usada – veremos isto posteriormente. 𝐴𝑣 = 𝑉𝑜 𝑉𝑖 , ou seja, o ganho é a tensão de saída dividida pela tensão de entrada. Modos de Operação do AOP Os circuitos com AOP podem ser de 3 tipos: R1 R2 10k 10k U1 U2 U3 OPAMP OPAMP OPAMP Malha Aberta Realimentação Negativa Realimentação Positiva Sem Realimentação Operação em Malha Aberta Dessa forma, o AOP funciona como um amplificador com ganho máximo, dado pelo fabricante no datasheet. Não há realimentação. A tensão da entrada nãoinversora é subtraída pela tensão da entrada inversora (V+ - V-). O resultado dessa subtração das tensões é multiplicado pelo ganho máximo e jogado na saída. Vo = (V+ - V-) x Av Como o ganho dado pelo fabricante é muito elevado, na prática esse modo de operação do AOP não é empregado na amplificação, uma vez que uma pequena diferença de tensão entre as entradas já fará o amplificador saturar na saída. Por isso, esse modo de operação é mais usado como COMPARADOR DE TENSÃO. Caso a tensão da entrada não-inversora seja minimamente maior que a da entrada inversora, a saída tende a saturar positivamente. Caso seja o contrário, a saída tende a saturar negativamente. Exemplo 1: Calcule a tensão da saída do AOP medida pelo multímetro abaixo, sabendo que o Av Máx dado pelo fabricante é de 150 000. XMM1 V3 12 V V4 12 V U1 V1 12mV V2 12.03mV OPAMP_5T_VIRTUAL Resolução: A diferença entre as duas entradas é: 12mV – 12,03mV = -0,03mV. Esse sinal será amplificado pelo ganho em malha aberta, dado pelo fabricante, que no caso é 150 000. Logo, -0,03mV x 150 000 = - 4,5V. Portanto, Vo = - 4,5V. Exemplo 2: Calcule a tensão de Saída (Vo). AvMáx = 180 000: V3 15 V XMM1 U1 V1 32.8mV V2 31.4mV OPAMP_5T_VIRTUAL V4 15 V Resolução: Vo = (32,8mV – 31,4mV) x 180 000 -> Vo = 210V (saturação positiva). Portanto, Vo = +15V Operação com Realimentação Negativa Esse é o modo mais comum de uso dos AOPs. A vantagem dessa ligação é que podemos controlar o ganho do amplificador através de resistores externos, ao invés de usar o ganho máximo dado pelo fabricante. Por isso, podemos projetar amplificadores exatamente com o ganho desejado. Nesse caso, os circuitos mais comuns são: RF RF U1 RI RI U2 Vi Vo Vo Vi OPAMP OPAMP Amplificador Não-Inversor 𝐴𝑣 = 1 + Amplificador Inversor 𝑅𝐹 𝑅𝑖 Para todos os amplificadores: 𝐴𝑣 = 𝐴𝑣 = − 𝑅𝐹 𝑅𝑖 𝑉𝑜 𝑉𝑖 Obs.: É importante prestar MUITA ATENÇÃO na diferença dos dois circuitos! Amplificador Não-Inversor Como o próprio nome diz, o Amplificador Não-Inversor amplifica o sinal injetado em sua entrada não-inversora, sem inverter a sua polaridade. RF 𝐴𝑣 = 1 + U1 RI 𝑅𝐹 RF 𝑅𝑖 RI U2 Vi Vo Vo Vi OPAMP Amplificador Não-Inversor OPAMP Amplificador Inversor Exemplo: Calcule a tensão de saída Vo medida pelo multímetro. V3 15 V XMM1 +28mV R2 1kΩ R1 V4 15 V 9kΩ Resolução: 9𝑘 𝐴𝑣 = 1 + 1𝑘 -> Av = 10 𝑉𝑜 = 10 𝑥28𝑚𝑉 → 𝑉𝑜 = +280𝑚𝑉 Exemplo 2: Calcule Vo. XMM1 +48mV V3 12 V R2 1.2kΩ R1 33kΩ Resolução: 𝐴𝑣 = 1 + 33𝑘 → 𝐴𝑣 = 28,5 1𝑘2 𝑉𝑜 = 28,5 𝑥48𝑚𝑉 → 𝑉𝑜 = +1,37𝑉 Amplificador Inversor Como o próprio nome diz, o Amplificador Inversor, além de amplificar o sinal, também inverte a sua polaridade na saída. Assim, se injetarmos na entrada um sinal positivo, esse sinal sairá negativo – e vice-versa. Se injetarmos um sinal CA, o sinal de saída será CA, mas 180° defasado em relação ao sinal da entrada. Veja a imagem abaixo. RF RF U1 U2 RI 𝐴𝑣 = − 𝑅𝐹 𝑅𝑖 Vi Vo Vo Vi OPAMP OPAMP Amplificador Não-Inversor Amplificador Inversor Repare como o sinal da saída está 180° defasado em relação ao da entrada. Exemplo 1: Calcule Vo XMM1 V3 12 V +4mV R2 100 Ω V1 12 V R1 47kΩ 𝐴𝑣 = − 47𝑘 → 𝐴𝑣 = −470 100 𝑉𝑜 = −470 𝑥4𝑚𝑉 → 𝑉𝑜 = −1,88𝑉 Fonte Simétrica +Vcc 7 U3 BAT1 12V 3 6 2 BAT2 GND 4 1 5 Para que o amplificador possa amplificar sinais que variam de polaridade (corrente alternada, por exemplo) – e também para que possa trabalhar com tensões positivas e negativas – alimentamos ele com uma fonte simétrica. 12V -Vcc Entretanto, quando trabalhamos apenas com tensões positivas, podemos alimentar o AOP de forma simples, com apenas uma fonte. O AOP CA3140 funciona muito bem com alimentação simples – mesmo não se pode dizer do 741. 741
