AmpOp_Lab3

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OFF SET
Nesta experiência iremos medir os
parâmetros do amp op que provocam
erros em corrente contínua conhecidos
como off set. Corrente de polarização
das duas entradas, Ib+ e Ib-, e a tensão
de compensação da entrada Vio.
Diagrama Esquemático
S1
-
Em seguida verificaremos o efeito
maléfico que estes "aparentemente
desprezíveis parâmetros" provocam nos
circuitos e apresentaremos dois métodos para minimizar estes erros.
VDC
R1=1M
+
Vo
-
+
2k
S2
Rb=1M
Material
Semicondutores:
1...LM741C.
Figura 1: Circuito para medição de Vio, Ib-,
Ib+ e Iio.
Resistores, ±5%; 1/4W,
1.....62Ω
2....100Ω
1....2kΩ
1....10kΩ
1....15kΩ
2....1MΩ
Etapa 1- Mantenha as duas chaves
S1 e S2 fechadas e meça a tensão de
saída com milivoltímetro. Esta tensão
deverá ser menor que 5mV e poderá
ser positiva ou negativa. Quanto menor
for esta tensão, melhor será o amp op.
Trimpot
1....10kΩ, linear.
Capacitores, poliester metalizado ou cerâmico.
2...100nF
2...10nF
Experiência 3.1- Método padrão
Adotaremos a recomendação de medir somente a tensão no terminal de
saída do amp op. Evitaremos medir o
potencial diretamente nos terminais de
entrada do amp op; o multímetro poderia adulterar o resultado.
Vo = Vio
p/ Rf = Rb = 0
Vo = Vio =
Etapa 2- Abra a chave S1. A tensão
de saída sofrerá influência de Ib-.
Vo = Vio + Rf . IbVo =
Kazuo Nakashima
p/ Rb = 0
[mV]
Podemos calcular Ib-
Ib - = (Vo - Vio) / Rf
Ib-=
EFEI - IEE / DON
[mV]
[nA]
2
Experiências com Amplificadores Operacionais - Off Set
Uma vez que Rf=Rb=R. teremos
Etapa 3- Fechar S1 e abrir S2. A tensão de saída, provavelmente negativa,
sofrerá influência de Ib+
Vo = Vio - Rb . Ib+
p/ Rf = 0
Vo = Vio + Rf . Ib- - Rb . Ib+
Vo= Vio + R . Iio.
p/ Rb = Rf = R
Vo=
Vo=
Iio = (Vo - Vio) / R
Podemos calcular Ib+
Iiο =
Ib+ = - (Vo - Vio) / Rb
Ib+ =
[nA]
Ib = (Ib- + Ib+) / 2
Iio = (Ib- - Ib+)
Ib =
[nA]
Iio =
[nA]
Ib é positivo, entrando nos terminais
do amp op, porque os transistores de
entrada do LM741 são NPN. Este valor
poderá chegar até 500nA (valor típico
80nA) à temperatura ambiente de 25°C.
Iio pode ser positivo ou negativo.
Quanto menor este valor, melhor será o
amp op. Este valor indica o grau de
"casamento" entre os transistores de
entrada e o grau de precisão do amp
op. Para o 741, este valor poderá atingir
200nA (valor típico 20nA) menor que
25% do valor de Ib.
Etapa 5- Iio pode ser estimado diretamente se abrimos as duas chaves. O
resultado deverá ser muito próximo do
valor obtido anteriormente.
Kazuo Nakashima
[nA]
Experiência 3.2: Método alternativo.
Etapa 4- Com os três resultados acima, podemos calcular:
EFEI - IEE / DON
[mV]
[mV]
Nos amp op’s com entrada FET as
correntes de polarização são tão pequenas que o resistor de 1MΩ não é
capaz de detectar esta corrente. Sugerimos um método alternativo capaz de
indiretamente medir estas correntes
Substituir Rf e Rb por capacitores de
100nF, conforme o diagrama esquemático da Figura 2, mantendo S1 e S2 fechados. Estes capacitores devem ter
baixa corrente de fuga por isso recomendamos capacitores de poliestireno
ou cerâmico.
Ajuste o voltímetro para medir tensão
contínua de até 20V. Você irá cronometrar o tempo que a tensão de saída irá
levar para variar de Zero até 10V.
Experiências com Amplificadores Operacionais - Off Set
pequena, não podem ser desprezadas,
principalmente em circuitos que contém
capacitores.
Diagrama esquemático
S1
Observamos que a tensão varia linearmente com o tempo. Isto significa que
Ib- e Ib+ são "fontes de corrente" .
C
Vo
+
S2
C
Figura 2: Circuito alternativo para medição
de Ib- e Ib+.
Etapa 1- Abra S1 e dispare o cronômetro. Pare o cronômetro quando a
tensão de saída atingir 10V.
∆t =
[s]
Ib-= (C.∆Vo) / ∆t
Se tentarmos medir a tensão no capacitor, através de osciloscópio ou multímetro, a resistência de entrada destes
instrumentos não permitirá o carregamento do capacitor. O resultado seria
adulterado pela instrumentação de medida. Experimente.
Experiência 3.3: Efeitos de Vio
[nA]
Etapa 2- Feche S1 e repita a experiência para S2.
∆t =
Observe que esta corrente quase imperceptível e difícil de ser medida, foi
estimada indiretamente através da medição da tensão de saída do amp op
através de um voltímetro rudimentar.
Este efeito é empregado nos integradores das malhas de controle industrial.
Para amp op’s com entrada FET o
capacitor deverá ter menor capacitância. Sugerimos entre 1 e 10nF.
∆Vo=10V, C=100nF.
Ib- =
3
[s]
O circuito apresentado na Figura 3
pode ser utilizado como um amplificador
não
inversor
de
ganho
Av=(1+Rf/Ri)=+101 ou como um amplificador inversor de ganho
Av=-(Rf/Ri) = -100.
Os valores encontrados nesta experiência são bastante próximos dos encontrados na experiência anterior.
O ganho da malha de realimentação,
B = Ri / (Ri + Rf) = 1 / 101, é o mesmo
para os dois amplificadores, uma vez
que o circuito é o mesmo. Portanto a
tensão de compensação, Vio, que é
amplificada pelo fator 1 / B, ou seja, 101
vezes, é igual para os dois amplificadores.
Esta experiência mostrou que as correntes de polarização, apesar de muito
As correntes de polarização, Ib+ e Ib, provocam também um erro dc. No
Ib+ = (C.∆Vo) / ∆t
Ib+ =
EFEI - IEE / DON
Kazuo Nakashima
[nA]
4
Experiências com Amplificadores Operacionais - Off Set
entanto, como foram utilizados resistores de baixa resistência, estes erros
podem ser desprezados.
Diagrama esquemático
Rf=10k
VDC
Ri=100
-
+
If
2
Io
Rb=100
-
IL
6
3
+
O segundo esquema, utilizado em
circuitos mais complexos, permite
adaptar a faixa de ajuste de acordo com
a aplicação. Um único ajuste é utilizado
para compensar 3 ou mais amp ops ligados em cascata. Este método, universal, serve para todos amp op's, pois
é realizado externamente ao amp op. O
circuito é apresentado na Figura 4(b).
+15
a) ajuste interno
RL
2k
2
-
7
741
3
Figura 3- Efeitos de Vio
Vo =
+
1
4
6
5
10k
[mV]
-15
Vio ≅ B .Vo = Vo / 101
b) ajuste externo
Vio =
-
[mV]
+
! Não desmonte este circuito.
Rb
+15
15k
Experiência 3.4- Off Set Null
10k
A tensão que está sendo medida na
saída do amp op é um erro em corrente
contínua, uma vez que o sinal de entrada é zero.
Para zerar este erro dispomos de
dois métodos. O primeiro método consiste em utilizar os terminais próprios
(quando existirem) denominados BALANCE ou OFF SET NULL. O diagrama
esquemático e os valores dos componentes utilizados são apresentados pelos fabricantes. Para o 741, o circuito é
apresentado na Figura 4(a). Este método é utilizado em circuitos mais simples,
que utilizam apenas um amp op
EFEI - IEE / DON
Kazuo Nakashima
Ro=75
-15
Figura 4- Off Set Null
VZERO =
R1
R
VCC ≅ 1 VCC
R1 + R2
R2
Rb = Ri / / R f =
Ri . R f
Ri + R f
Etapa 1- Completar o circuito com o
trimpot de ajuste conforme a Figura
Experiências com Amplificadores Operacionais - Off Set
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4(a). Preste muita atenção na instalação do trimpot.
4o passo) Medir a tensão de saída
com multímetro de boa qualidade.
Etapa 2- Ligar a alimentação e variar
o trimpot de batente a batente. Medir a
tensão de saída
5o passo) Ajustar o trimpot de ajuste
até ZERAR o sinal de saída.
< Vo <
Dividindo estes resultados
por
B=101, encontraremos a "faixa de
ajuste de Vio" proporcionada por este
trimpot.
< Vio<
O fabricante do 741C informa que
esta faixa de ajuste é de -15mV a
+15mV, maior que os 5mV de Vio.
Esta faixa de ajuste maior permite
compensar, também, o erro provocado
por Iio. Isto significa que, quando a tensão de saída estiver zerada, haverá
uma tensão Vio remanescente para
compensar o erro provocado por Iio.
Para zerar o off set devemos proceder da seguinte forma:
Procedimento de ajuste
1o passo) Reduzir o sinal de entrada
até zerar, ou então, substituir o gerador de sinais por uma resistência equivalente à resistência de saída (interna)
do gerador de sinais.
2o passo) Instalar a carga do amp op
(resistência equivalente à resistência
de entrada do próximo estágio).
3o passo) Ligar a alimentação e
aguardar alguns minutos para que o
amp op atinja a temperatura de trabalho.
EFEI - IEE / DON
Kazuo Nakashima
6o passo) O efeito do Drift pode ser
observado se aquecermos todo o circuito com jato de ar quente (secador
de cabelo por exemplo). Atenção para
não ultrapassar a temperatura máxima.
Anular completamente o Off Set é
praticamente impossível, uma vez que
Ib, Iio e Vio variam com a temperatura,
idade, tempo e tensão de alimentação.
Estas variações são conhecidas como
DRIFT.
Podemos minimizar estes erros seguindo as seguintes recomendações:
Como Minimizar o Off Set
1) As duas entradas devem estar
balanceadas em termos de corrente
contínua. As duas entradas devem
"enxergar" a mesma resistência DC.
2) Manter a temperatura ambiente
constante.
3) Utilizar fonte de alimentação estabilizada.
4) Utilizar componentes de boa qualidade (resistores e capacitores).
5)** Utilizar (ou substituir por) amplificadores operacionais de precisão, ou seja, amp op de baixo Drift.
Amp Op como o excelente OP-77A da
PMI apresenta AOL=5000V/mV, Vio⟨
60µV, tcVio⟨0,3µV/°C, Ib⟨2nA e Iio⟨
1,5nA. Este amp op é compatível, pino
a pino, com o 741 (com o trimpot de
ajuste de off set retirado).
Experiências com Amplificadores Operacionais - Off Set
Conclusões finais
• Quanto maior o ganho do amplificador, maior será o erro dc provocado
pela tensão de compensação da entrada Vio.
• Quanto maior as resistências de realimentação, maior o erro provocado
pelas correntes de polarização Ib- e
Ib+.
• O erro dc é menor nos circuitos com
as entradas balanceadas.
EFEI - IEE / DON
Kazuo Nakashima
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