AmpOp_Lab5 - Amplificadores

5
AMPLIFICADORES
Nesta experiência analisaremos os
amplificadores escalares, circuitos lineares que modificam apenas a amplitude
do sinal.
Todos os amplificadores, não inversor, inversor e diferencial, e outros que
derivam destes, buffer e somador, contém apenas resistores no circuito de realimentação.
Algumas características do desempenho destes amplificadores são comuns a todos e dependem da taxa de
realimentação B=e-/Vo.
B=
Ri
Ri + Rf
Vos =
Vio
B
Rout =
ro
(1 + AB)
BW = B.GBP
Experiência 1:
Amplificador Não Inversor.
No amplificador não inversor o sinal
de excitação é aplicado na entrada não
inversora do amp op. Isto significa que
o sinal de saída tem a mesma polaridade que o sinal de entrada.
As principais características deste
amplificador são:
• Alta resistência de entrada.
• Baixa resistência de saída.
• Ganho de tensão igual ou maior
que 1.
Formulário
Av =
Vo R f
=
+1
Vi
Ri
Rin = (1 + AB).ri // 2.ricm
Diagrama Esquemático
Rf=10k
Lista de Material
Semicondutores
2...741C
2...1N914 ou 1N4148
1...1N758A (Zener 10V; 400mW)
Resistores 1/4W, 5%
1....470, 1k, 2k, 20k, 200k,
2...1M
4...10k
4...100k
Capacitor de poliester metalizado
1...100nF
Potenciômetro ou trimpot
1...10k
1...4,7k
EFEI - IEE/DON Kazuo Nakashima
Ri=10k
-
10k
+
2k
Figura 1: Amplificador Não Inversor
Etapa 1- Ajustes iniciais
Todos comandos do osciloscópio na
posição calibrado.
2
Experiências com Amplificadores Operacionais - Amplificadores
•
•
•
•
CH1=50mV/DIV-DC, POS. CENTRAL.
CH2=50mV/DIV-DC, POS. CENTRAL.
TIME BASE=: 1ms/DIV.
TRIGGER=: CH1, NORMAL, SLOPE+;
LEVEL "0".
• Gerador de funções:
Seno, 100mVpp, 250Hz.
Ao ajustar o gerador de funções,
através do CH1 do osciloscópio; observaremos 2 ciclos e meio e a amplitude
ocupando 2 DIV pico a pico como mostra a Figura 2.
Etapa 2- Inicie a montagem com
RL=2k, Ri=10k, Rf=10k. e Rb=10k.
Observando o sinal de saída através
de CH2, a amplitude deste sinal será o
dobro do sinal de saída.
Trig
-50 mV
Experiência 2:
Buffer
Um caso particular do amplificador
não inversor é o amplificador de ganho
unitário, conhecido como BUFFER.
Consiste em fazer Rf=0Ω e Ri=∞, resultando em Av=(1+Rf/Ri)=1.
A grande utilidade deste amplificador
de ganho unitário, é fazer o casamento
de impedância.
Diagrama esquemático
S
+
1M
2k
CH1
Figura 3- Buffer
Etapa 1- Montar o circuito da Figura
3 com a chave S fechada.
50mV
50mV
1ms
SAVE
Figura 2- Oscilograma do Amplificador Não
Inversor
Tabela 1: Amplificador Não Inversor
Vi=100mVpp
Ri=10kΩ
Ω
teórico
medido
Rf Vopp Av
BW Vopp Av
BW
10k
0.2
2
500
20k
0.3
3
333
100k
1.1
11
90.9
200k
2.1
21
47.6
1M
10.1
101
9.90
Ω
Vpp
-
kHz
Vpp
EFEI - IEE/DON Kazuo Nakashima
-
kHz
Etapa 2- ajustes
• Gerador de funções:
SENO, 8Vpico a pico, 250Hz
• Osciloscópio:
CH1=1V/DIV;DC; POS CENTRAL
CH2=1V/DIV;DC; POS CENTRAL
BASE DE TEMPO = 1ms/DIV
Etapa 3- Resistência de entrada
O sinal de saída deve ser igual ao sinal de entrada e deve ocupar toda tela
(8V. pico a pico).
Abrindo a chave S, a tensão de saída
pico a pico deveria diminuir devido à
queda de tensão em Rs. Quanto menor
for a resistência de entrada do circuito,
maior será a queda de tensão e, consequentemente, menor será a tensão de
3
Experiências com Amplificadores Operacionais - Amplificadores
saída. Podemos calcular a resistência
de entrada medindo as tensões de entrada e de saída do buffer.
Rs
Rin =
Vipp
−1
Vopp
.
Provavelmente estaremos observando nenhuma atenuação, ou seja, Vopp≅
Vipp. Isto significa que Rin>>Rs, ou Rin
>>1MΩ. Em um ensaio mais aprimorado
encontramos Rin≅80MΩ.
Infelizmente, esta elevadíssima resistência de entrada não pode ser aproveitada plenamente devido ao off set
provocado por Ib+ ao circular através
de Rs. Você deve ter notado que a tensão de saída, observada através de
CH2, está deslocada para baixo. Você
perceberá este deslocamento fechando
e abrindo a chave S.
Etapa 4- Mudar CH2 para e+ do amp
op.
O sinal observado por CH2 caiu pela
metade, aproximadamente 4Vpico a
pico. Se aplicarmos a Equação de Rin
acima, acharemos Rin=1MΩ. Este valor
corresponde ao valor da resistência de
entrada do osciloscópio e não do buffer.
(Se estivéssemos utilizando ponta de
prova atenuadora x10 encontraremos
Rin=10MΩ).
Esta experiência mostrou que em circuitos de alta impedância é necessário
o emprego de um buffer uma vez que a
resistência de entrada do osciloscópio,
ou multímetro, pode alterar o comportamento do circuito;
EFEI - IEE/DON Kazuo Nakashima
Experiência 3
Amplificador Inversor.
Utilizando os mesmos componentes
e o mesmo circuito do amplificador não
inversor, construiremos o amplificador
inversor. conforme o diagrama esquemático da Figura 4. A diferença está no
terminal onde o sinal de excitação será
aplicado. O sinal de entrada será aplicado na entrada inversora através de
Ri.
Rf=10k
Ri=10k
-
10k
+
2k
Figura- 4- Amplificador Inversor
As principais características do amplificador inversor são:
• Inversão de polaridade.
• Resistência de entrada definida por
um resistor.
• Amp op trabalha sem tensão de
modo comum (e-=e+=0).
• Possibilidade de instalar diodos Zener para limitar sinal de saída.
• Ganho de tensão pode ser ajustado
desde ZERO.
Av =
Rf
Vo
=−
Vi
Ri
Rin = Ri
A precisão deste amplificador será de
±10%, uma vez que utilizamos resistores de ±5%. No pior caso teríamos
Rf+5% e Ri-5%, ou Rf-5% e Ri+5%, resultando
Experiências com Amplificadores Operacionais - Amplificadores
Rf  0 ,95 1,05 
a


Ri  1,05
0,95 
Rf
Av = −
(0 ,904 a 1,105)
Ri
Av = Av( nominal ) ± 10%
Experiência 4
Somador.
Av = −
Etapa 1- Inicie a montagem com
Ri=Rf=Rb=10kΩ e complete a tabela
5.2.
Trig
-45 mV
CH1
O amplificador somador inversor é
um amplificador de múltiplas entradas
onde cada entrada (n) possui ganho de
tensão Av(n) e resistência de entrada
Rin(n)
AV(n) = −
50mV
1ms
SAVE
Tabela 5-2: Amplificador Inversor
Vi=100mVpp
Ri=10kΩ
Ω
teórico
medido
Vopp Av
BW Vopp Av
BW
0,1
-1
500k
20k
0,2
-2
333k
100k
1,0
-10
90,9k
200k
2.0
-20
47,6k
1M
10
-100
9,9k
Ω
V
--
Hz
V
--
Hz
A largura de banda não é um valor
muito preciso porque depende do GBP
do amp op.
EFEI - IEE/DON Kazuo Nakashima
Ri ( n )
Vio
BΣdc
BW = BΣac + dc .GBP
1
BΣ =
1 + ∑ Av( n )
Figura 4- Formas de Onda no Amplificador
Inversor.
Rf
10k
Rf
Rin( n ) = Ri ( n )
off set =
50mV
4
OBS: Quanto maior for o número de
entradas "utilizadas" maior será o erro
dc (off set) e menor será a resposta em
freqüência (BW). Devemos distinguir BΣ
dc e BΣac
Para demonstrar a grande utilidade
do amplificador de múltiplas entradas,
necessitaremos de dois geradores de
funções. Mas como isso é difícil, criaremos o nosso próprio gerador de onda
quadrada.
O amp op A1, é um multivibrador que
gera onda quadrada com amplitude
igual a Vsat.
O amplificador somador A2, possui
duas entradas (poderia ter mais). Na
entrada de 30kΩ, que apresenta ganho
-Rf/Ri1=-1/3, será aplicada a onda quadrada. A outra entrada, de 10kΩ que
possui ganho unitário, será aplicada
uma onda triangular de 250Hz e 5Vpp.
Experiências com Amplificadores Operacionais - Amplificadores
5
100k
100nF
10k
Ri2=30k
Rf=10k
A1
Ri1=10k
+
-
R
20k
A2
nR
+
2k
Figura 5- Amplificador Somador
Etapa 1- Ajustes
• Osciloscópio:
CH1=5V/DIV; DC; POS.SUPERIOR
CH2=5V/DIV; DC; POS INFERIOR
BASE DE TEMPO= 2mS/DIV.
MODO=CHOPPER.
TRIGGER=CH2, AUTO, SLOPE+,
• Gerador de funções: (GF)
TRIANGULAR; 5Vpp; 250Hz.
Etapa 2- Variar um pouco a freqüência do gerador de funções de forma a
sincronizar com a onda quadrada.
Trig
-6.5 V
Etapa 3- Diminuir a freqüência do GF
para menos que 1Hz. A onda quadrada
é deslocada para cima e para baixo. O
somador pode ser utilizado para ajustar
o nível dc de um sinal.
Este circuito é muito utilizado nos
sistemas de controle industrial para
detecção de erro. Em uma das entradas
é aplicado o sinal de Referência para
ser "comparado" com o sinal de realimentação (Feed back) aplicado na outra entrada.
Outra aplicação deste circuito é o
misturador de áudio usado em karaoke.
CH2
Experiência 5
Amplificador Diferencial
5V
5V
2ms
SAVE
Figura 6- Sinal de Saída do Somador.
Se diminuirmos o sinal do GF, observaremos apenas a onda quadrada com
amplitude de 5Vp. Aumentando gradativamente a onda triangular do GF, ela
aparecerá na saída do somador sobreposta à onda retangular.
EFEI - IEE/DON Kazuo Nakashima
O amplificador diferencial é muito útil
para medir (ou amplificar) sinais flutuantes, principalmente em circuitos tipo
ponte. Ele pode ser utilizado também
como amplificador inversor e como não
inversor.
Formulário
Ri = R1 = R
R f = R2 = m. R
Experiências com Amplificadores Operacionais - Amplificadores
Av =
a sensibilidade deste sistema será
200mV/°C.
Vo
=m
(V2 − V1 )
Rin = Ri
Este amplificador diferencial pode
medir tensão em qualquer parte do circuito desde que a tensão diferencial
não ultrapasse 100mV. Acima deste
valor o amp op poderá saturar.
Diagrama esquemático
mR=1M
V1
R=10k
V2
R=10k
6
V
o
+
mR=1M
+15V
• Aqueça D2 e mantenha D1 na temperatura ambiente.
R*=10k
Z=10V
V1
K.R*=100k
P1=10k
Figura 7- Amplificador Diferencial
O circuito apresentado na Figura 7 foi
projetado para medir apenas a diferença de temperatura entre os dois sensores D1 e D2.
Para corrente de polarização de 1mA,
a queda de tensão no diodo é 600mV e
varia com a temperatura na taxa de
2mV/ºC. Como o amplificador diferencial apresenta ganho de 100 ( ou 40dB),
EFEI - IEE/DON Kazuo Nakashima
• Ajuste P1 até zerar a tensão de saída
• Aqueça D1, com o dedo por exemplo,
e mantenha D2 na temperatura ambiente.
Etapa 2
470
V2
Etapa 1
Como a queda de tensão no diodo
diminui com o aumento da temperatura,
V1 diminuirá. Consequentemente (V2V1) será positivo. A tensão de saída
será positiva e devera variar entre 1 e
2V, o que corresponde uma diferença
de temperatura entre o dedo e o ambiente de 5 a 10ºC.
-
R*=10k
O sistema de balanceamento da
ponte, potenciômetro P1 em conjunto
com o resistor KR*, é utilizado para o
ajuste de zero.
A tensão de saída será negativa uma
vez que V2 ficará menor que V1. Como
o diodo é do mesmo tipo, a tensão de
saída deverá variar entre 1 e 2V como
na etapa anterior.
Podemos inverter a polaridade da
tensão de saída simplesmente invertendo as entradas V1 e V2 do amplificador diferencial.
7
Experiências com Amplificadores Operacionais - Amplificadores
Experiência 6
Amplificador de Ganho Ajustável
no lugar de Rf: a) 10kΩ b) 100kΩ e
c).1MΩ.
Sabemos que o ganho dos amplificadores depende apenas da relação entre
duas resistências.
O método padrão utiliza um potenciômetro de 4,7kΩ em série com um resistor de 470Ω instalado na saída do
amp op, proporcionando uma faixa de
ajuste de 11:1.
Para construir um amplificador de
ganho ajustável bastaria substituir uma
das resistências por potenciômetro.
Esta solução no entanto, nos obrigaria manter potenciômetros de vários
valores em estoque para atender cada
projeto, contrariando a tendência atual
de padronização e minimização do estoques (em outras palavras, evitar dinheiro parado).
A faixa de ganho é determinado apenas pelo resistor de realimentação Rf:
a) 1,0kΩ b) 10kΩ e c) 100kΩ.
Rf=1k
Ri=10k
V1
-
Vo
0
+
A solução que será apresentada em
seguida é adotada pela maioria dos fabricantes de equipamentos e, curiosamente, pouco mencionado nos livros didáticos. Para maiores detalhes consulte
Rb=10k
Rp=4k7
10
Ro=470
“Ajuste de Span e Zero”.
Para demonstrar a grande utilidade
do método utilizado, construiremos três
amplificadores diferentes com faixa de
ajuste do ganho numa relação de 10:1:
a) 0,1...1; b) 1...10 e c) 10...100. A resistência de entrada foi definida como
10kΩ.
Rf
0
Ri
10
Com este método precisaremos ter
em estoque apenas resistores, muito
mais fácil e barato do que manter potenciômetros. Além desta grande vantagem, evitamos a utilização de valores
altos de resistência. Valores altos de
resistência são mais susceptíveis à ruídos e interferências.
Etapa 1
-
Rb
+
Figura 9- Método padrão de ajuste
2k
Figura 8- Método convencional
O método convencional nos obrigaria
a utilizar três valores de potenciômetro
EFEI - IEE/DON Kazuo Nakashima
• Montar o circuito conforme o diagrama esquemático da Figura 9 com
Rf=1,0kΩ.
• Ajustar o gerador de funções em triangular ou senoidal, 100Hz, 1V de
pico (2Vpp).
• Ajustar o potenciômetro na posição
“10” e medir o ganho máximo desta
faixa.
8
Experiências com Amplificadores Operacionais - Amplificadores
• Ajustar o potenciômetro na posição
“0”, medir a tensão de saída e calcular o ganho mínimo desta faixa.
Av max=
[]
Av min=
[]
[]
Av max=
[]
Avmax/Avmin=
Av min=
[]
Observações finais:
Avmax/Avmin=
[]
Etapa 2
Substituir Rf para 10 kΩ e repetir a
experiência.
Av max=
[]
Av min=
[]
Avmax/Avmin=
[]
Etapa 3
O potenciômetro de 4,7kΩ é muito
utilizado no circuito de ajuste porquê
proporciona baixa resistência equivalente do divisor de saída (span) sem
sobrecarregar muito o amp op.
Podemos considerar este circuito
com dois atenuadores (divisores resistivos) em cascata como mostra a figura
10.
-
Vo
+
RS
Substituir Rf para 100kΩ e diminuir a
tensão de entrada para 200mVpp. Repetir a experiência.
Av max=
R
P
α Vo
Rf
[]
RO
Av min=
e-
[]
Ri
Avmax/Avmin=
[]
Figura 10- Atenuadores em cascata
Observamos que a faixa de ajuste é
de aproximadamente 11:1, exatamente
a relação [(Rp/Ro)+1]:1. Nos casos
onde Rf>>Rspan, esta relação é satisfatoriamente precisa; somente para o
caso de Rf=1kΩ esta relação deixa de
ser precisa.
Etapa 4
• Substitua Ro para 10kΩ e repita a
experiência. A faixa de ajuste será de
aproximadamente 1,47:1.
EFEI - IEE/DON Kazuo Nakashima