+ entradas inversora não inversora Saída +V

IF-UFRJ
Elementos de Eletrônica Analógica
Mestrado Profissional em Ensino de Física
Prof. Antonio Carlos
Aula 11: Amplificadores Operacionais
Este material foi baseado em livros e manuais existentes na literatura
(vide referências) e na internet e foi confeccionado exclusivamente
para uso como nota de aula para as práticas de Laboratório de Física
Moderna Eletrônica. Pela forma rápida que foi confeccionado, algumas
partes foram extraídas quase verbatim de outros autores citados na
lista de referências. Trata-se de um texto em processo de constante
modificação. Por gentileza, me informe os erros que encontrar.
Um amplificador operacional (Amp Op) é um amplificador diferencial com alto ganho, alta impedância de entrada e baixa
impedância de saída. Os amplificadores operacionais são normalmente utilizados para amplificar tensões, como
osciladores, filtros, etc...
As figuras abaixo mostram um amplificador operacional típico com duas entradas (uma positiva e outra negativa) e uma
saída. O sinal na saída terá a mesma polaridade ou polaridade invertida, dependendo se o sinal é aplicado na entrada
inversora (-) ou não inversora (+).
v1
+V
inversora
1
2
+
Saída
-V
não inversora
v2
Zsaida
Zentrada
entradas
+
_
+
_
+
+
_
VTH = A(v2 –v1)
V saida = A(V 2 − V1 )
A → ganho diferencial (open-loop gain , ganho de malha aberta) A=∞ (ideal)
31
Zentrada → impedancia de entrada, Zentrada = ∞ (ideal)
Zsaida → impedância de saída, Zsaida= 0 (ideal)
Um Amp Op ideal possui uma impedância de entrada infinita e uma impedância de saida nula. No entanto, um Amp Op
real possui impedância de entrada finita e uma impedância de saída não nula. A impedância de entrada de um CI (circuito
integrado) Amp Op feito com transitores bipolares de junção é da ordem de 1 MΩ. Amp op feitos com transistores de
12
efeito de campo (FET) possui impedâncias de entrada muito maiores (até 10 Ω). A impedância de saída varia entre 1 e
100 Ω CI Amp Op.
Exercícios
3
1-Considere um amplificador operacional ideal exceto pelo ganho de malha aberta A = 10 . O amplificador operacional é
usado em um circuito de realimentação e as voltagens que aparecem em dois dos três terminais são medidas. Em cada
caso, use os valores medidos para encontrar a tensão no terceiro terminal.
V1 (V)
V2 (V)
Vsaida (V)
1,002
0,998
0
2
-3,6
5
10
-3,6
ANÁLISE DE CIRCUITOS CONTENDO AMPLIFICADORES OPERACIONAIS IDEAIS – A CONFIGURAÇÃO INVERSORA
i1
i1
R1
1
v1
+
_
R1
2
+
+
vo
-
Terra virtual
32
V2 − V1 =
i1 =
v1
R1
vo = −
G≡
vo
≈0
A
R2
v1
R1
vo
R
=− 2
v1
R1
G→ ganho de malha fechada
A Resistência (impedância) de entrada na configuração inversora é dada por Rin=v1/i1 = R1. Este é de fato um dos
problemas da configuração inversora, a sua baixa impedância de entrada. Para aumentar a impedância de entrada,
mantendo o ganho constante, é necessário aumentar R1 e R2 proporcionalmente, o que torna inviável para fins práticos
porque o valor de R2 torna-se proibitivamente alto.
1
8
2
7
-15
3
+
4
+15
6
5
741
355
Largura de banda
Para uma entrada senoidal Vin com freqüência f, o sinal de saída Vout em geral, diminui em amplitude com o aumento da
freqüência. Ou seja, o ganho A = Vout/Vin é uma função da freqüência do sinal. O ganho pode também ser expresso em
decibéis (dB)
V
A = 20 log10 ( Voutin ) (em dB)
Definimos a freqüência de corte f3dB, a freqüência para qual o ganho Vout/Vin = 0,707 . Esta queda no nível do sinal
corresponde à 3 decibéis (dB), então f3dB é chamada de freqüência de corte inferior de 3 dB. O valor máximo possível para
o ganho é unitário e pode se alcançado assintoticamente para f → 0 (vide figura abaixo).
33
Figura- Ganhos de malha aberta (A) e malha fechada (G =10) de um amplificador operacional em função da frequência .
A relação entre o ganho e largura de banda em um amplificador operacional pode ser expressa pelo produto ganho ×
largura de banda = ponto de ganho unitário. Para circuitos com amplificador operacional, o ponto de ganho unitário para
uma dada configuração será igual ao produto do ganho pela largura de banda para qualquer outra configuração do
mesmo amplificador operacional. Ou seja, quando o ganho muda, a largura de banda também muda, mas o produto é
constante.
Limites de corrente de saída
Uma outra limitação é a corrente máxima de saída (corrente que o Amp OP pode fornecer à carga). Para o µA 741, os
limites são ± 40 mA. Um valor muito baixo para a carga implicaria que a corrente excederia estes limites, e a forma de
onda da saída seria ceifada.
Problemas:
1)Supondo que os amplificadores operacionais abaixo são ideais, encontre o ganho de tensão G= vo/vin e a impedância de
entrada de cada um dos circuitos.
A)
B)
C)
D)
34
E)
F)
2)Encontre a tensão de saída,vo , para os exemplos abaixo:
A)
B)
C)
D)
F)
E)
Prática:
1) Produza em sua bancada um sinal senoidal de 0,1 V de amplitude que será utilizado nos itens seguintes. Desenhe
a forma de onda produzida no gráfico abaixo.
35
V/divisão
vertical =
horizontal =
V/divisão
2) Projete, monte e teste um circuito amplificador INVERSOR cuja saída seja de (1,0±0,2) V quando excitado com o
sinal do item 1.
Anotações, diagramas, desenhos:
3) Aplique o sinal de 0,1 V na entrada do amplificador projetado, usando um sinal com uma freqüência de 100 Hz.
Verifique a amplitude do sinal de saída. Altere a freqüência do sinal de entrada (0.1 V) para 200 Hz, e verifique
novamente o sinal de saída. Repita estes passos para as freqüências de 500 Hz, 1 kHz, 2kHz, 5kHz, 10 kHz, 20 kHz,
50 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz, 1 MHz, 2 MHz. Anote todos os valores em uma tabela.
Freqüência (Hz)
Ventrada (V)
VSaida (V)
Vsaida/Ventrada
Log( Vsaida/Ventrada)
4) Faça os Gráficos de GANHO A=Vs/Ve em função da freqüência para cada caso realizado nos itens anteriores
usando papel monolog (Vs/Ve no eixo linear e f no eixo logarítmico). Observe o que ocorre com o ganho em
função da freqüência em cada caso
36
1,4
1,2
VS/VE
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
frequência (Hz)
Não esqueça de fazer anotações completas e cuidadosas sobre o que foi feito em cada item, como foram projetados
os circuitos, que considerações foram feitas, quais os valores utilizados para os resistores, que amplificadores
operacionais foram utilizados, quais as expectativas de incertezas, e como foram obtidos os resultados.
37