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
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