2a Parte Amplificador Operacional Introdução

28/10/2010
IFBA
CELET – Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica
Professor:: Edvaldo Moraes Ruas, EE
Professor
Vitória da Conquista, 2010
2a Parte
Introdução
Amplificador Operacional
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Amp-Ops
 A maioria são dispositivos de baixas potências de menos de 1 W;
 Alguns Amp-Ops são fabricados otimizando:
• largura de banda;
• baixos offsets de entrada;
• baixo ruído.
 São componentes ativos básicos com os quais podemos construir conversores de
formas de onda, osciladores, filtros ativos e outros circuitos.
Estrutura básica de Amp-Op
 Como o Amp-Dif é o primeiro estágio, ele determina as características de entrada.
Amp-Ops
Símbolo e Circuito Equivalente de um Amp-Op
 Quando é necessário uma impedância de entrada maior, pode ser obtida
utilizado um Amp
Amp-Op
Op BIFET;
 Que incorpora JFETs e transistores bipolares no mesmo chip;
 JFETs para estágios de entrada para menores correntes de polarização e de
offset de entrada;
 TBJ para os estágios posteriores para um maior ganho de tensão.
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Amp-Ops
Características dos Amp-Ops
 LF157 é um exemplo de um Amp-Op BIFET.
Amp-Op 741
 O LM741C é um Amp-Op padrão comercializado desde da década de 1960,
sendo o mais barato e mais usado;
 O 741 tem diferentes versões numeradas como 741, 741A, 741C, 741E e 741N;
 As diferenças entre elas estão no ganho de tensão, na faixa de temperatura, no
nível de ruído e em outras características;
Por ser um padrão, usaremos o 741 como dispositivo básico em nossas
discussões;
Encapsulamentos
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Amp-Op 741
Amp-Dif na Entrada
 Estágio de entrada é Q1 e Q2;
 Q14 é uma fonte de corrente,
substitui RE;
 Q13 e Q14 - espelho de corrente;
 Q4 - carga ativa, corresponde a
RC, atua como fonte de corrente,
com uma impedância muito alta;
 Por isso o ganho de tensão é
maior;
 O sinal amplificado do Amp-Dif aciona a base de Q5, que é um seguidor de emissor;
 Esse estágio aumenta a impedância para evitar uma queda no sinal por efeito de
carga;
 Os diodos Q7 e Q8 são parte da polarização do estágio final;
 Q11 é um resistor de carga ativa para Q6, portanto, Q6 e Q11 são como um estágio EC.
Estágio Final
Amp-Op 741
 O sinal amplificado sai do estágio EC (Q6) e vai para o estágio final, o qual é um
seguidor de emissor push-pull classe B (Q9 e Q10);
 Devido à fonte ser dividida, a saída quiescente é idealmente 0V quando a tensão de
entrada é zero;
 Qualquer desvio do 0 V é
denominado tensão de erro de
saída.
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Amp-Op 741
Compensação de Frequência
 Uma pequena capacitância de compensação Cc do circuito, devido o efeito Miller,
corresponde a uma capacitância equivalente muito maior;
 A resistência vista pela capacitância Miller é a impedância de saída do Amp-Dif;
 Portanto, temos um circuito de atraso que produz uma frequência de corte de 10 Hz
para um 741.
Amp-Op 741
Polarização e Offsets
 Conforme discutido anteriormente um AmpOp tem polarização de entrada e offsets que
produz um erro de saída quando não existe sinal
na entrada;;
 O erro devido a corrente de polarização pode
ser eliminado usando dois resistores de base
iguais;
 O erro devido a corrente e tensão de offset
pode ser eliminado utilizando um potenciômetro
quando no CI existe um circuito interno para
esse fim;
fi
 Ou quando não existe, aplicando uma pequena tensão na entrada para cancelar a
saída;
 O circuito interno também minimiza o drift térmico, que é uma variação lenta na
tensão de saída causada pela variação de temperatura.
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Amp-Op 741
Razão de Rejeição em Modo Comum
 Um CMRR de 90 dB significa que o sinal desejado é 30.000 vezes maior que o sinal
de modo comum;
Saída de Pico a Pico Máxima
 A tensão vout de um Amp-Op pode ser aproximadamente tão positiva quanto +VCC e
tão negativo quanto –VEE, antes que o ceifamento ocorra;
Corrente de Curto-Circuito
 Em algumas aplicações, um Amp-Op pode acionar uma resistência de carga de
aproximadamente zero;
 O que produz
d uma tensão
t ã de
d saída
íd baixa.
b i
Ganho de Tensão
 Como o ganho de tensão de um Amp-Op é muito alto, os offsets de entrada podem
saturar o Amp;
 Por isso os circuitos práticos necessitam de componentes externos entre a entrada e
saída para estabilizar o ganho de tensão.
Amp-Op 741
Resposta em Frequência
 Ganho para um 741C
Slew rate
 O capacitor de compensação interno do 741 visto anteriormente evita
oscilações que poderiam interferir no sinal desejado;
 Porém existe uma desvantagem, ele precisa ser carregado e descarregado;
 O que limita a velocidade na mudança da tensão de saída de um Amp-Op;
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Amp-Op 741
Slew rate
 A inclinação inicial da forma de onda exponencial é o Slew rate, que é a taxa de
variação;
SR = ∆vout .
∆t
 Podemos também ter uma limitação de Slew rate com sinal senoidal;
 Se a onda senoidal de saída for muito pequena ou a frequência for muito baixa, a
Slew rate não será problema;
 Mas quando o sinal for grande e a frequência alta, a Slew rate provocará uma
distorção na saída;
 A maior frequência que pode ser amplificada sem distorção por Slew rate é dada por:
fmáx =
SR .
2πVP
Amplificador Inversor
 Esse circuito usa uma realimentação negativa para estabilizar o ganho de tensão;
Realimentação Negativa
 Se por qualquer motivo a tensão de saída aumenta, a tensão de realimentação oposta
reduz v2;
 Portanto, ainda que o ganho de malha aberta tenha aumento a saída final aumenta
muito menos do que ocorreria sem a realimentação.
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Amplificador Inversor
Terra Virtual
 Esse tipo de terra é bastante usado na análise de um amplificador inversor;
 O conceito é baseado no Amp-Op ideal, o qual estabelece que ganho de tensão e
resistência de entrada de um Amp-Op em malha aberta é infinito;
 O que nos permite deduzir que:
• Como Rin é infinito, i2 é zero;
• Como AVOL é infinito, v2 é zero.
 Como i2 é zero a corrente através de Rf é igual à corrente de entrada através de R1;
 Além disso como v2 é zero o terra virtual informa que a entrada inversora atua como
terra para tensão, mas um circuito aberto para corrente.
Amplificador Inversor
Ganho de Tensão
 entrada
vin = iinR1
 saída
vout = – iinRf
portanto o ganho de tensão de
malha fechada é:
Av(CL) = – Rf .
R1
Impedância de Entrada
 Em um amplificador inversor é fácil estabelecer uma impedância de entrada.
zin(CL) = R1
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Amplificador Inversor
Largura de Banda
 A largura de banda em malha aberta ou a frequência de corte de um Amp-Op é muito
baixa por causa do capacitor de compensação interna;
• Exemplo: f2(CL)
( ) = 10 Hz para 741C
 Quando a realimentação é usada a Largura de Banda aumenta;
 Quanto maior a realimentação negativa, maior a frequência de corte em malha
fechada.
f2(CL) = funitário .
Av(CL)
( )+1
quando Av(CL) > 10
temos: f2(CL) = funitário . (sem inversão)
Av(CL)
funitário = Av(CL) f2(CL)
Amplificador Inversor
Polarização e Offsets
 A realimentação negativa reduz o erro de saída;
Verro = AVOL (V1erro
V2erro
V3erro)
 Quando
Q d a realimentação
li
t ã negativa
ti é usada:
d
Verro ≈ AV(CL) (V1erro ± V2erro ± V3erro)
V1erro = (RB1 – RB2)Iin(bias)
Corrente de Polarização de Entrada;
V2erro = (RB1 + RB2) Iin(off)
Corrente de Offset de Entrada;
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V3erro
= Vin(off)
Tensão de Offset de Entrada;
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i ( ff)
 Quando AV(CL) é pequeno o erro de saída
total pode ser pequeno o suficiente para ser ignorado;
 Caso contrário, será necessário um resistor de
compensação e cancelamento de offset.
RB2 = R1 || Rf
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Amplificador Não-Inversor
 Da mesma forma esse circuito usa realimentação negativa para estabilizar o ganho de
tensão total;
 Ela também aumenta a impedância de entrada e diminui a impedância de saída.
Curto-Circuito Virtual
Circuito
Ci
i Básico
Bá i
 Duas propriedades a seguir de um amp-op
ideal:
• Visto que Rin é infinita, as correntes nas
duas entradas são zero;
• Visto que AVOL é infinito, v1 – v2 é zero.
Amplificador Não-Inversor
Ganho de Tensão
 Entrada
vin = i1R1
 Saída
vout = i1 (Rf + R1)
 Ganho de Tensão
Av(CL) = Rf + R1
R1
ou
Av(CL) = Rf + 1
R1
A saída está em fase com a entrada.
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Amplificador Não-Inversor
Outros Parâmetros
 A impedância de entrada em malha aberta é alta (2 MΩ para um 741C);
 A impedância de entrada de malha fechada será maior ainda;
 Largura
L
de
d banda:
b d
f2(CL) = funitário .
Av(CL)
 Quanto menor o ganho de tensão em malha fechada, maior a largura de banda;
 As tensões de erro são analisadas da mesma forma que no caso do Amp Inversor;
 A resistência de Thévenin vista pela entrada inversora.
RB2 = R1 || Rf
 Para compensar a corrente de polarização de entrada usamos na entrada nãoinversora.
RB1 = RB2
Amplificador Não-Inversor
Tensão de Erro de Saída Reduz o MPP
 MPP = a máxima tensão de saída sem ser ceifada;
 A figura “b” mostra a tensão de saída sem ser ceifada, 28V;
 A figura “c” mostra a tensão de saída com uma redução pela tensão de erro de saída.
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Duas Aplicações do Amp-Op
Amplificador Somador
 É um circuito que soma dois ou mais sinais analógicos em uma única saída;
Av1(CL) = – Rf .
Av2(CL) = – Rf .
R1
R2
 como:
iin = i1 + i2 = v1 + v2
R1 R2
Saída
vout = (i1 + i2) Rf = – Rf v1 – Rf v2
R1
R2
vout = Av1(CL) v1 + Av2(CL) v2
 Resistência de Thévenin
RB2 = R1 || R2 || Rf || ... || Rn
Duas Aplicações do Amp-Op
Amplificador Somador
 Se todos os resistores forem iguais:
vout = – (v1 + v2 + ... + vn)
 Misturador
(mixer),
uma
maneira
conveniente de combinar sinais de áudio em
um sistema de áudio de alta fidelidade;
 Os resistores ajustáveis nos permitem ajustar
o nível de cada entrada e o controle de ganho o
volume de saída dos dois sinais.
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Duas Aplicações do Amp-Op
Seguidor de Tensão
 É um circuito perfeito porque produz uma tensão de saída exatamente igual à tensão
de entrada;
 Saída
vout = vin
 Ganho de Tensão
Av(CL) = 1
 Largura de Banda
f2(CL) = funitário
 Além da vantagem de alta impedância de entrada e baixa impedância de saída;
 É a interface ideal para uma fonte de alta impedância e uma carga de baixa
impedância.
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