Baixe Amplificadores operacionais e outras Notas de estudo em PDF para Eletrônica, somente na Docsity! AMPLIFICADORES OPERACIONAIS OBJETIVOS: Analisar o funcionamento de um amplificador operacional e seus principais parâmetros. INTRODUÇÃO TEÓRICA O nome amplificador operacional (também denominado op-amp) é usado quando muitos amplificadores convencionais são necessários para implementar uma grande variedade de operações lineares ou não lineares. Neste caso constroi-se um circuito básico cujas operações poderão ser agilizadas bastando para tanto, proceder apenas pequenas modificações externas ao circuito como a introdução ou alteração de resistores, capacitores, indutores, etc. Existem atualmente uma grande variedade de amplificadores operacionais, geralmente encerrados em um único chip (pastilha), resultando em um custo de fabricação muito baixo. O símbolo de um op-amp é mostrado abaixo: a) um sinal aplicado na entrada + aparecerá na saída amplificado e com a mesma fase. b) um sinal aplicado na entrada - aparecerá na saída amplificado, porém, defasado 180º. Para a construção de op-amps utiliza-se tanto a tecnologia bipolar como a unipolar, sendo esta última recomendável quando se deseja altíssimas impedâncias de entrada. Além da alta impedância de entrada, outra característica importante do op- amp é o seu ganho elevado, que em malha aberta pode chegar a 100.000 (DC) que em última análise, pode ser considerado infinito. Os fabricantes especificam esse ganho como: AVOL (ganho de tensão para grandes sinais) = 100V/mV = 100.000 = 100dB A quantidade de componentes dentro de um chip de um op-amp (transistores, resistores, diodos, etc.), determinam sua escala de integração. A figura abaixo mostra um chip LM339 que contém quatro op-amps. Veja na figura abaixo o esquema de cada um dos op-amps contidos no LM339: PARÂMETROS ELÉTRICOS DC: 1 - Ganho de tensão diferencial - ganho para grandes sinais: AVOL Geralmente esse ganho é fornecido em decibéis, sendo a relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada. Pode ser assim calculado: AdB = 20 log = 20 log Como exemplo, um ganho de tensão de 500 é a mesma coisa que: 1 Amplificadores Operacionais Prof. Edgar Zuim AdB = 20 log500 = 20(2,69897) = 53,98dB Por outro lado, uma ganho de 60dB corresponde a: = logAv F 0E 8 3 = logAv AV = antilog 3 = 1.000 OBS: antilog de 3 é a mesma coisa que 103 . EXEMPLOS: a) Um amplificador operacional possui um ganho de tensão igual a 820. Calcular o ganho em dB. Solução: AdB = 20 log820 = 20(2,914) = 58,28dB b) Sabe-se que um amplificador operacional tem um ganho de 50dB. Calcule o ganho em tensão. Solução: 50 = 20 logAV F 0 E 8 = logAv Av = antilog 2,5 = 102,5 = 316,22 2 - Resistência de entrada simples: RIN É a resistência medida em cada um dos terminais de entrada. Trata-se de um parâmetro muito importante quando vários estágios são interligados. Os op-amps fabricados com a tecnologia bipolar tem uma resistência de entrada típica de 1MF 05 7 , enquanto que na tecnologia bipolar essa resistência varia entre 1012 a 1015 F 05 7. 3 - Resistência de saída: RO A resistência típica é da ordem de 100F 05 7, a qual depende do estágio de saída usado para fornecer sinal à carga. O amplificador operacional possui um estágio de entrada, o qual recebe o sinal e um estágio de saída para fornecer o sinal à carga; em alguns casos, possui também um estágio intermediário, conforme ilustra o diagrama de blocos abaixo: O estágio intermediário serve para compensar eventuais distúrbios operacionais entre entrada e saída como, perda de amplitude de sinal, casamento de impedâncias, etc. Veja a seguir alguns estágios de saída usados nos op-amps. 4 - Taxa de rejeição em modo comum (Common Mode Rejection Ratio - CMRR) É definida como a relação do ganho de tensão diferencial com o ganho de tensão em modo comum. CMRR = F 0E 8 CMRR = 20 log dB Para um valor de CMRR = 80, corresponde a: 2 Amplificadores Operacionais Prof. Edgar Zuim G = = 73 b) Um op-amp cujo tr = 0,35F 06 Ds deve operar com ganho igual a 50. Qual é a faixa de passagem para esse ganho? Solução: B = 0,35 / 0,35F 06 Ds = 1MHz FP = = 20kHz 2 - Taxa de variação: SR (Slew Rate) A taxa de variação é um parâmetro que indica quão rápido a tensão de saída muda com o tempo. Os valores típicos vão de 0,5V/F 06 Ds a 50V/ F 0 6 Ds, sendo que valores maiores indicam maior velocidade de operação do dispositivo. Quando essa taxa de variação é muito baixa, em freqüências mais altas ocorre uma distorção entre os sinais de entrada e saída. Observa-se que o sinal de saída não acompanhou a variação relativa ao sinal de entrada, apresentando distorção. ANÁLISE DO OP-AMP Passaremos a analisar o comportamento de um op-amp em função de componentes externos que lhes são adicionados: resistores, capacitores, fontes de alimentação, etc. O circuito equivalente típico de um op-amp é mostrado a seguir: Análise do op-amp inversor: Tomemos como exemplo o circuito abaixo e respectivo circuito equivalente: OBS: R2 é o resistor de realimentação Cálculo do ganho: AV Analisando o circuito equivalente temos: i1 = = i2 = Contudo, Vd = Vo/Ad e no op-amp ideal Vd = 0, logo: = _ Teremos então: Av = = _ Isto implica que a relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída depende da relação entre R2 e R1. EXEMPLO: Qual é o ganho do circuito abaixo: Solução: Av = = 50 Impedância de entrada: ri ri = aplicando LKT: 5 Amplificadores Operacionais Prof. Edgar Zuim Vi = R1i1 - Vd levando-se em conta que num op-amp ideal Vd = 0, então: ri R1 A impedância de entrada pode ser calculada pela fórmula: ri = R1 + Impedância de saída: ro A impedância de saída pode ser calculada pela fórmula: ro = EXEMPLO: Calcule Av, ri e ro no circuito a seguir: Solução: Av = - = = - 50 ri = R1 + = 1.000 + = 1.000 + 0,5 = 1.005 logo, podemos considerar ri = R1 ro = = = 0,05 Análise do op-amp não inversor: O circuito básico é mostrado abaixo: Ganho: Av Av = 1 + Neste caso, o ganho será sempre maior do que 1 (Av > 1). Para o ganho se tornar igual a 1 (Av = 1), caracterizando assim um seguidor de tensão, R2 deve ser curto-circuitado e R1 removido. O circuito a seguir mostra um seguidor de tensão (Av = 1), muito útil como casador de impedâncias. Impedância de entrada: ri ri = Impedância de saída: ro = + EXEMPLO: Calcule Av, ri e ro no circuito abaixo: 6 Amplificadores Operacionais Prof. Edgar Zuim Solução: Av = 1 + = 1 + = 1 + 10 = 11 ri = = = 1010 / 11 1G = + = + = 9,1 x 103 = 9,1 x 103 F 0E 8 ro = 1/9,1 x 103 = 1,09 x 10-4 0 PARTE PRÁTICA MATERIAIS NECESSÁRIOS 1 - Fonte de alimentação simétrica 0-20V 1 - Circuito integrado LM741 ou CA741 1 - Gerador de áudio 1 - Osciloscópio 1 - Multímetro analógico ou digital 1 - Módulo de ensaios ELO-1 1 - Proto-board I - ANÁLISE DO GANHO E RESPOSTA DE FREQÜÊNCIA: 1 - Monte o circuito abaixo: DADOS PARA O CI LM741 - VALORES TÍPICOS Tensão de alimentação 15V CMRR = 90dB Ganho em malha aberta (AVOL) = 200V/mV Resistência de entrada (RIN) = 2M Resistência de saída (ROUT) = 75 Tempo de subida (tr) = 0,3s Slew rate = 0,5V/s Tensão de offset de entrada (VOS) = 15mV Corrente de offset de entrada (IOS) = 20nA Corrente de polarização de entrada (IPOLARIZAÇÃO) = 80nA Desvio (VOS / T ) = 15V/ ºC 2 - Ajuste o gerador de áudio para uma amplitude de 100mVrms e freqüência de 1kHz; 3 - Ligue um dos canais do osciloscópio na entrada (ponto A) e outro canal na saída (ponto B); 4 - Calcule o ganho do circuito e anote na tabela 1. Use para isso a relação entre os resistores de realimentação e de entrada. 7 Amplificadores Operacionais Prof. Edgar Zuim QUESTÕES: 1 - Um amplificador diferencial é utilizado como estágio de entrada de: a) microprocessadores b) amplificadores classe AB c) uma porta lógica d) amplificadores push-pull e) nenhuma das respostas anteriores 2 - No circuito abaixo, qual é a tensão de saída (Vo), considerando o op-amp ideal? a) 0V b) +15V c) -15V d) 30V e) n.r.a. 3 - No circuito abaixo, qual é a tensão de saída (Vo), considerando o op-amp ideal? a) -15V b) -1V c) 0V d) tende ao infinito e) n.r.a. 4 - Calcule o ganho do op-amp abaixo: a) -11 b) -10 c) 10 d) 11 e) 0 f) n.r.a. 5 - Qual é a tenso de saída (Vo) no circuito abaixo: a) 8V b) 5V c) - 5V d) 40V e) - 40V f) - 8V g) n.r.a. 6 - No circuito abaixo, sabe-se que Vi = 0,5V e Vo = 10V e o op-amp é ideal. Qual é o ganho em dB? a) 20dB b) 26dB c) - 26dB d) - 20dB e) 52dB f) n.r.a. 10 Amplificadores Operacionais Prof. Edgar Zuim 7 - Qual é a finalidade do resistor de realimentação que liga a saída de um op-amp à sua entrada inversora? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 11 Amplificadores Operacionais Prof. Edgar Zuim