amp op lab1 (1)

EFEI - IEE / DON Kazuo Nakashima

1 AMPILFICADOR OPERACIONAL (FUNDAMENTOS) Objetivos

Nesta experiência faremos o primeiro contato com o amplificador operacional e apresentaremos os procedimentos passo a passo que tornarão a execução dos ensaios mais rápida e segura.

Verificaremos a grande versatilidade

do amp op implementando as configura-ções básicas utilizando apenas meia dú-zia de componentes passivos adicionais.

Analisaremos o comportamento do cir-

cuito sob duas formas:

! No tempo, observando os sinais de entrada, vi(t), e de saída, vo(t), simul-taneamente através de um osciloscó-pio de duplo traço.

! Função de transferência vo=f(vi), utili-

zando o osciloscópio no modo x-y

x(HORIZONTAL) = sinal de entrada y(VERTICAL) = sinal de saída

Instalação do Amp Op no Protoboard

1o passo: Instalar o 741C (mini DIP) no

protoboard, com o pino 1 voltado para o lado esquerdo inferior (lado chanfra-do no lado esquerdo).

2o passo: Instalar os fios da alimenta-

ção. +15V ao pino 7 do 741C (fio ver-melho), -15V ao pino 4 do 741C (fio verde) e 0V ao barramento GND do protoboard (fio preto).

Manter a alimentação desligada toda vez que for montar ou modificar um circuito. Se o protoboard possuir barramento duplo (régua estreita com dois barramen-tos), alimentar o primeiro barramento su-perior com +15V, o primeiro barramento

inferior com -15V e os dois barramentos centrais com GND. Uma vez alimentado os barramentos do protobord, alimentar o 741 através de pequenos "jumps", também coloridos, entre o barramento e o pino correspon-dente. Desta forma conseguiremos insta-lar diversos Circuitos Integrados com mais organização.

-

+

1 2 3 4

78 6 5

+15V

-15V

0V/GND

0V/GND

+15V→0V→

0V→-15V→

Figura 1: Lay Out e pinagem do 741C. Para interligar os componentes eletrô-nicos, utilize fios rígidos, encapados, de bitola correspondente a 22, 24 ou 26 AWG. Os LEADS dos demais compo-nentes devem apresentar a bitola cor-respondente.

Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos

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Endireitar os leads dos componentes e a parte desencapada dos fios com o a-licate de bico. Não force a introdução dos leads tortos nos contatos do proto-board; se isto acontecer, os contatos do proto-board serão danificados permanen-temente. Utilize o alicate de corte para cortar os LEADS e fios no tamanho ade-quado. A fiação da alimentação deve ser bem feita e de modo a não atrapalhar a ins-talação dos demais componentes uma vez que ela permanecerá em quase to-das montagens. É boa prática não desconectar a ali-mentação quando for desmontar um circuito para montar outro.

3o passo: Planejar a construção do cir-

cuito e esboçar mentalmente um Lay Out da montagem. Procure manter a disposição dos componentes como no diagrama esquemático.

4o passo: Completar o circuito conforme

o diagrama esquemático utilizando o menor número de fios possível e de forma a facilitar a substituição do amp op.

A partir deste ponto, as ligações de a-limentação não serão mais indicadas no diagrama esquemático. Fica suben-tendido, no entanto, que o amp op de-ve ser alimentado com ±15V. Para o 741C, pino 7=+15V, pino 4=-15V, e a li-nha de terra (comum do circuito) ao ZERO da fonte simétrica de ±15V Osciloscópio

A análise no domínio do tempo consis-te em observar simultaneamente as for-mas de onda de entrada e saída, Vi(t) e Vo(t), através de um osciloscópio de dois canais. Para facilitar a execução das experi-ências é comum adotar a seguinte con-venção:

Sinal de entrada = canal CH1 Sinal de saída = canal CH2

Uma vez que a alimentação padrão dos circuitos a amp op é ±15V, todos os sinais estarão compreendidos dentro desta faixa. Se calibrarmos o osciloscó-pio em 5V/DIVISÃO, acoplamento DC (importante), e com os traços centrados na tela, qualquer sinal será captado pelo osciloscópio dentro das 6 divisões cen-trais da tela. O acoplamento DC permite verificar a presença de nível contínuo e, por exem-plo, medir a tensão da fonte de alimen-tação. Além disso, o acoplamento AC pode distorcer a forma de onda nos si-nais de baixa freqüência.

O sincronismo (Trigger) deve ser feito preferencialmente pelo sinal de entrada, CH1, modo NORMAL ou AUTOMÁTICO, SLOPE+. Neste tipo de ensaio o sinal de excita-ção pode ser senoidal, triangular ou quadrada. Localização de defeitos 1. Se o amp op estiver saturado positi-

vamente e não responder ao sinal de excitação, verifique a alimentação ne-gativa (pino 4=-15V). Se estiver corre-to verifique se o terminal da entrada não inversora (pino 3) está correta-mente conectado ao circuito.

2. Se o amp op estiver saturado negati-

vamente, verifique primeiro a alimen-tação positiva (pino 7=+15V). Se esti-ver correto, verifique o terminal da en-trada inversora.

3. Se tudo isto estiver correto, verifique

a temperatura do amp op. Em condi-ções normais a temperatura do corpo (case) deverá ser próxima da tempe-ratura ambiente.



1) COMPARADOR INVERSOR

10k

10k

2k

iV

oV-

+

+Vcc

-Vcc

2

3

67

4

" Ligar primeiro a fonte de alimentação

de ±15V e em seguida o gerador de sinais (vi).

" Ajustar o gerador de funções em:

SENO, 100Hz, 4Vpp. " Observar vi = f(t) e vo = f(t). Faça um

posicionamento, vertical e horizontal adequado. Desenhe as formas de on-da indicando o nível zero, amplitudes e tempos.

" Ajuste os comandos do osciloscópio

conforme indicado no oscilograma. Na parte inferior estão definidos pela or-dem CH1=2V/DIV, CH2=5V/DIV, H=2mSEC/DIV.

CH1:2V/DIV CH2:5V/DIV H:2mSEC/DIV

0V

No amp op em malha aberta o amp op estará sempre saturado.

( )( )

V e eV e e

Sat

Sat

+ + −

− + −

⇒ − >

⇒ − <

00

Observe no oscilograma acima que o amp op muda de estado quando e-=e+, neste caso igual a zero.

Observe ainda que a saída muda para negativo quando ao sinal de entrada vai para positivo. O sinal de saída tem pola-ridade invertida em relação ao de entra-da. " Mude o comando do osciloscópio pa-

ra operação x-y (x = vi). Posicione corretamente os eixos x-y (ou ponto 0-0).

Você estará observando a função de

transferência deste circuito.

Para centrar o eixo, mude a chave AC-GND-DC de CH1 para GND. Posicione o traço horizontalmente atuando no botão HORIZONTAL POSITION. Volte esta chave para posição DC.

Mude a chave AC-GND-DC de CH2 para posição GND. Posicione o traço verticalmente atuando no botão VERTI-CAL POSITION de CH2. Volte esta chave para posição DC.

CH1:2V/DIV CH2:5V/DIV H:XY

0V

Observe que no eixo X o sinal ocupa duas divisões de 2V/DIV, ou seja, 4Vpp.

No eixo Y o sinal varia entre VSAT+ e VSAT-, não necessariamente simétricas. O oscilograma indica VSAT+=+14,5V e VSAT-=-14,5V.



2) COMPARADOR NÃO INVERSOR

R=10k

10k

2k

-

+


0V


0V

Observe que a saída está sempre sa-turada e muda de estado quando e+=e-. O sinal de saída tem a mesma polarida-de do sinal de entrada uma vez que es-tamos aplicando o sinal de excitação na entrada não inversora do amp op. Não desmonte o circuito. " Complete o circuito conforme o dia-

grama esquemático do amplificador não inversor instalando um resistor entre o terminal de saída e o terminal de entrada inversora, fechando uma Realimentação Negativa.

3) AMPLIFICADOR NÃO INVERSOR

iR =10k

10k

2k

fR =20k

-

+


0V


0V

O sinal de saída não satura devido à realimentação negativa e tem a mesma polaridade do sinal de entrada porque estamos aplicando o sinal de excitação na entrada não inversora do amp op. Neste amplificador

VV

RR

kk

o

i

f

i= + = + =1 20

101 3



4) AMPLIFICADOR INVERSOR

iR =10k

10k

2k

fR =20k

iV

oV-

+


0V


0V

O sinal de saída está invertido em re-lação ao sinal de entrada porque o sinal de excitação é aplicada na entrada in-versora do amp op.

VV

RR

kk

oi

f

i= − = − = −20

102

Observe que o circuito do amplificador inversor é o mesmo que circuito do am-plificador não inversor. Muda apenas o terminal onde é aplicado o sinal de en-trada.

5) COMPARADOR COM HISTERESE NÃO IN-VERSOR.

R=10k

nR=20k

10k

2k

-

+

Vi=TRIANGULAR, 100Hz, 20Vpp


0V


0V

Observe que o sinal de saída está sempre saturada, tem a mesma polari-dade que o sinal de entrada e muda de estado em dois níveis diferentes do sinal de entrada (dois pontos de trip) forman-do um ciclo de histerese.

Devido à realimentação positiva, a comutação é mais rápida.



6) COMPARADOR COM HISTERESE INVERSOR.

R=10k

nR=10k

10k

2k

-

+


0V


0V

Observe a característica inversora deste circuito e a histerese menor. Se você mudar CH2 para e+, você percebe-rá que o amp op muda de estado exata-mente quando e-=e+.

O diagrama esquemático do compara-dor com histerese (realimentação positi-va) é muito parecido com o diagrama es-quemático do amplificador (realimenta-ção negativa). O comportamento do cir-cuito é muito diferente devido à diferença fundamental no tipo de realimentação.

7) MULTIVIBRADOR (OSCILADOR DE RELAXAÇÃO).

R=10k

nR=20k

fR =100k

C=100nF

2k

-

+

OBS.: Este circuito é um oscilador e NÃO necessita do gerador de funções para funcionar

Neste circuito existem simultaneamen-te os dois tipos de realimentação: positi-va e negativa. A instabilidade neste tipo de circuito se reflete em uma oscilação.

Freqüência = [Hz]


0V

A freqüência de oscilação depende do produto Rf*C, da histerese e de VSAT. Uma vez que VSAT NÃO é um valor preci-so, esta freqüência não será precisa. " Complete o circuito adicionando um

diodo 1N4148 e um resistor de 1k.



R=10k

nR=20k

fR =100k

C=100nF

2k

1k

Vo-

+

" Inverta a polaridade do diodo.

Verifique se a relação entre o intervalo alto e o intervalo baixo é próximo do va-lor entre a resistência de 100k e 1k.

8) OSCILADOR PONTE WIEN

R

fR =20k

2k

-

+

iR =10k

C RCR=15k C=10nFΩ

Obs:. Se o circuito não oscilar, instale um resistor de 1MΩ em paralelo à Ri. " Meça a amplitude e a freqüência do

sinal de saída.

Pela teoria, a freqüência de oscilação é kHzCRfosc 061,12/1 == π e a ampli-tude igual a VSAT.

fOSC MEDIDO= [Hz]

CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:0.2mSEC/DIV

0V

O ganho de tensão é muito crítico nes-te circuito. Abaixo de 3, o circuito não oscila. Muito acima de 3 a distorção au-menta. Para aumentar o ganho de tensão, basta aumentar Rf ou diminuir Ri. " Instalar um resistor de 100k em para-

lelo à Ri.



CONCLUSÕES 1. Utilizando pouquíssimos componentes

passivos adicionais implementamos diversos circuitos de comportamentos diferentes.

2. A função que o amp op executa e a

precisão do circuito depende destes componentes adicionais.

3. Observamos a grande diferença de

comportamento entre a realimentação negativa e realimentação positiva.

4. A tensão de saída tem a mesma pola-

ridade que a tensão de excitação a-plicada no terminal da entrada não in-versora do amp op e polaridade opos-ta quando aplicada na entrada inver-sora.

5. Você deve ter observado que é muito

fácil trabalhar com amp op. Os circui-tos funcionam conforme previsto.

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Itajubá, MG, Dezembro de 2006

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