4. AMPLIFICADORES OPERACIONAIS O Amplificador
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4. AMPLIFICADORES OPERACIONAIS Fernando Gonçalves © Instituto Superior Técnico Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 O Amplificador Operacional O amplificador operacional é um componente activo usado na realização de operações aritméticas envolvendo sinais analógicos Algumas das operações que se podem realizar com amplificadores operacionais são: • Integração • Soma • Logaritmo • Diferença Símbolo +VCC e –VCC são as tensões de alimentação do amplificador operacional +VCC V VO V -VCC Instituto Superior Técnico 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]) Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 2 1 O Amplificador Operacional Tipicamente, um amplificador operacional é composto por • • • • Um par diferencial, como andar de entrada do amplificador operacional Blocos para aumentar o ganho de tensão ou corrente Blocos para compensar as características não-ideais dos transístores Andar de saída para fornecer elevadas correntes de saída O amplificador operacional é normalmente realizado num circuito integrado composto por cerca de 30 transístores O funcionamento interno de um amplificador operacional é complexo, mas a análise em termos das tensões e correntes aos seus terminais é muito simples Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 3 Características de um Amplificador Operacional Os amplificadores operacionais amplificam a diferença de tensão aplicada nas entradas V+ e V− 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 A resistência de entrada, Ri, é tipicamente superior a 1 MΩ Ω A resistência de saída de um amplificador operacional é baixa Normalmente, RO é inferior a 100 Ω Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 4 2 Característica de Transferência A diferença V+ − V− é normalmente designada por VD V VD VO V Zona de saturação positiva: VO ≈ +VCC VO +VCC Zona linear: VO = A . VD (declive = ganho de tensão, A) Se +VCC = 10 V e A = 105, o amplificador operacional atinge a saturação quando VD = 10−4 V VD -VCC Zona linear é muito estreita Zona de saturação negativa: VO ≈ −VCC Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 5 Amplificador Operacional Ideal Para um amplificador operacional ideal considera-se que Ri = ∞ correntes nulas nas entradas V+ e V− RO = 0 tensão de saída, VO, não depende da carga A=∞ zona linear quando VD = 0 V+ − V− = VO A como A = ∞ resulta ou V+ = V− V+ − V− = 0 VO +VCC Na zona linear: −VCC ≤ VO ≤ +VCC VD Nas zonas de saturação verifica-se VD > 0 ou V+ > V− ⇒ VO = +VCC VD < 0 ou Instituto Superior Técnico V+ < V− ⇒ Fernando Gonçalves VO = −VCC -VCC (sat. positiva) (sat. negativa) Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 6 3 Seguidor de Tensão (Característica real) Num amplificador operacional verifica-se que VOUT = A (V + − V − ) Para esta montagem obtém-se VOUT = A (VIN − VOUT ) VOUT VIN ⇒ VOUT = A VIN A +1 Como A é muito elevado ⇒ VOUT ≈ VIN Para que um amplificador operacional funcione na zona linear é indispensável que esteja realimentado negativamente (VOUT ligado a V−, directa ou indirectamente) Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 7 Seguidor de Tensão (Característica ideal) VOUT VIN 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 resultando Instituto Superior Técnico VOUT = VIN Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 8 4 Montagem Inversora I2 R2 V+ = 0 R1 VIN VOUT I1 e V− = 0 I1 = VIN − V − VIN = R1 R1 I2 = VOUT − V − VOUT = R2 R2 Como não existe corrente na entrada do amplificador operacional ideal I1 + I2 = 0 podendo escrever-se obtendo-se finalmente Instituto Superior Técnico VIN VOUT + =0 R1 R2 VOUT R =− 2 VIN R1 Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 9 Montagem Não Inversora VIN VOUT R1 R2 Como não existe corrente na entrada do amplificador operacional ideal, obtém-se R2 V− = VOUT R1 + R 2 Num amplificador operacional ideal tem-se V + = V − V − = V + = VIN = resultando VOUT R1 + R 2 = VIN R2 Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves ou R2 VOUT R1 + R 2 VOUT R 1 = +1 VIN R2 O ganho é sempre > 1 Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 10 5 Montagem Somadora V1 R1 I1 I3 I2 V2 V− = 0 V+ = 0 R3 R2 VOUT Para as correntes I1, I2 e I3 obtém-se I1 = V1 R1 I2 = V2 R2 I3 = VOUT R3 Como não existe corrente na entrada do amplificador operacional V1 V2 VOUT + + =0 verifica-se que I1 + I2 + I3 = 0 ou R1 R 2 R3 R R resultando VOUT = − 3 V1 + 3 V2 R R 2 1 VOUT = −(V1 + V2 ) Se R1 = R2 = R3, obtém-se Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 11 Montagem de Diferença R2 V1 V2 R1 VOUT R3 Para determinar VOUT em função de V1 e V2 é conveniente utilizar o Teorema da Sobreposição R4 R2 Fazendo V2 = 0 obtém-se uma montagem inversora Instituto Superior Técnico V1 Fernando Gonçalves R1 1 VOUT R3 R4 1 VOUT =− R2 V1 R1 Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 12 6 Montagem de Diferença Fazendo V1 = 0 obtém-se uma montagem não-inversora R2 R1 V2 2 VOUT R3 R4 Como não existe corrente na entrada do amplificador operacional ideal, obtém-se V+ = R4 V2 R3 + R 4 e Considerando um amplificador operacional ideal resultando 2 VOUT = Instituto Superior Técnico V− = R1 V2 R1 + R 2 OUT V+ = V− R4 R + R2 x 1 V2 R3 + R 4 R1 Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 13 Montagem de Diferença 1 2 Agrupando as duas contribuições para VOUT ( VOUT = VOUT ) + V OUT resulta VOUT = − R2 R4 R + R2 V1 + V2 × 1 R1 R3 + R 4 R1 Se R1 = R2 e R3 = R4, obtém-se Instituto Superior Técnico Fernando Gonçalves VOUT = V2 − V1 Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 14 7 Exemplo Determinar VOUT como função das tensões V1 e V2 R3 V1 V2 Instituto Superior Técnico R1 VOUT R2 Fernando Gonçalves Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica - 2004/2005 15 8
