amplificador operacional

Amplificador Operacional

Introdução

• É um dispositivo em um CI;

• Imensa gama de aplicações como:

– Amplificação;

– Operações Aritméticas;

– Comparadores, dentre outras.

• Constituído de amplificadores Transistorizados;

Introdução

• Circuito interno é muito complexo;

• Análise: Circuito Equivalente Simplificado;

Figura 1 – Amplificador operacional (a) Símbolo e (b) circuito equivalente

Introdução

• Apresenta duas entradas:

– Entrada inversora (-);

– Entrada não inversora (+).

• Estas entradas são assim chamadas:

– Sinal na entrada (-): a resposta defasada de 180º;

– Sinal na entrada (+): resposta em fase.

Introdução

• ��: Ganho em malha aberta (valor alto);

• ��: Resistência de entrada (Valor alto);

• ��: Resistência de saída (Valor baixo);

• �� = �� = � − ��: Sinal erro ou diferença;

• ��: Tensão na saída.

Introdução

• Funciona tensão contínua como alternada;

• Principais características são:

– Alta impedância de entrada;

– Baixa impedância de saída;

– Alto ganho;

– Pode operar como amplificador diferencial.

Amplificador Operacional Ideal

• As propriedades Amp Op ideal são:

– Impedância de entrada infinita;

– Impedância de saída nula;

– Ganho de tensão infinito;

– Ausência de qualquer limitação em frequência e

em amplitude.

Amplificador Operacional Ideal

Operação com Terminação Única

Operação com Terminação Dupla

Saída com Terminação Dupla

Saída com Terminação Dupla

Saída com Terminação Dupla

Operação Diferencial e Modo Comum

• Uma das características de uma conexão de circuito

diferencial é a capacidade de o circuito amplificar

consideravelmente sinais opostos nas duas entradas,

enquanto, amplificam suavemente os sinais comuns

a ambas as entradas.

Operação Diferencial e Modo Comum

• Uma vez que o ruído é comum a ambas as entradas,

a conexão diferencial tende a atenuar esta entrada

indesejada enquanto fornece uma saída amplificada

do sinal diferença aplicado as entradas.

Operação Diferencial e Modo Comum

• O Amp Op fornece um ganho de saída referente a

amplificação da diferença dos sinais opostos

aplicados entre as suas entradas (Ad - ganho

diferencial), e um ganho que se deve a amplificação

de mesmos sinais entre suas entradas (Ac - ganho de

modo comum).

Operação Diferencial e Modo Comum

• Uma vez que a amplificação dos sinais de entrada

opostos é muito maior do que a dos sinais de

entrada comuns, o circuito fornece uma rejeição de

modo comum descrita por um parâmetro chamado

de Razão de Rejeição de Modo Comum (CMRR).

Operação Diferencial e Modo Comum

• Entradas Diferenciais: Quando entradas separadas

são aplicadas ao Amp Op, o sinal diferença resultante

é a diferença entre as duas entradas.

�� = � − ��

Operação Diferencial e Modo Comum

• Entradas Comuns: Quando sinais são iguais, o sinal

comum as duas entradas pode ser definido como a

média aritmética entre os dois sinais.

� =�� + �

2

Operação Diferencial e Modo Comum

• Tensão de Saída: Como qualquer sinal aplicado a um

Amp Op, a saída resultante pode ser expressa por:

�� = ���� + � �

Operação Diferencial e Modo Comum

• Entrada de Polaridade Oposta: Se entradas de

polaridades opostas aplicadas a um Amp Op são

idealmente opostas, �� = −� = �, a tensão diferença é:

�� = 2�, enquanto, a tensão de modo comum: � = 0. A

tensão de saída resultante é: �� = 2���.

Operação Diferencial e Modo Comum

• Entrada de Mesma Polaridade: Se entradas de

mesma polaridade são aplicadas a um Amp Op,

�� = � = � , a tensão diferença é: �� = 0 ,

enquanto, a tensão de modo comum: � = � . A

tensão de saída resultante é: �� = �� .

Operação Diferencial e Modo Comum

Operação Diferencial e Modo Comum

• Razão de Rejeição de Modo Comum: A razão de

rejeição de modo comum (CMRR) é definida pela

seguinte equação: ���� =��

��, na qual varia com a

faixa de frequência de entrada.

• Termos logarítmicos: CMRR = 20log����

��(dB).

Operação Diferencial e Modo Comum

Operação Diferencial e Modo Comum

Amplificadores Operacionais Básicos

• O circuito básico é construído usando-se um

amplificador diferença com duas entradas (+ e -) e

pelo menos uma saída.

Figura 2 – Amp Op básico

Modos de Operação

• Sem realimentação: Também denominado operação

em malha aberta e o seu ganho é estipulado pelo

próprio fabricante, ou seja, não se tem controle

sobre o mesmo. Este tipo é muito útil em circuitos

comparadores.

Modos de Operação

• Com realimentação positiva: Esse tipo de operação é

denominado operação em malha fechada. Apresenta

como inconveniente o fato de conduzir o circuito a

instabilidade. Uma aplicação prática deste circuito

são circuitos osciladores.

Modos de Operação

• Com realimentação negativa: Neste modo de

operação, a entrada do sinal é aplicada na entrada

negativa do Amp Op. Este é o modo mais importante

em circuitos com Amp Op.

Curto-Circuito Virtual ou Terra Virtual

• Os ganhos em tensão são muito altos nos Amp Op;

• Como a relação de um Amp Op ideal é:

�� = ��� = �(�$ − �%)

• Pode-se afirmar que:

�� = �$ − �% =�&

�≈ 0

Curto-Circuito Virtual ou Terra Virtual

• A equação acima permite afirmar que quanto maior

for o ganho, mais o valor da entrada V+ se aproxima

do valor da entrada V- para valores finitos V0;

• Em outras palavras, existe um curto-circuito virtual

nas entradas positivas e negativas do Amp Op;

Curto-Circuito Virtual ou Terra Virtual

• Virtual porque em um curto-circuito real tem-se V=0

e I≠0, mas no curto-circuito virtual tem-se V=0 e I=0.

• No caso em que a entrada positiva está aterrada,

considerando Vi=0, a entrada negativa também terá

valor zero. Sendo assim esta ligação é chamada de

terá virtual, pois este ponto não está ligado ao GND.

Amplificador Inversor

• Utilizando o conceito de terra virtual, temos:

• Portanto:

Amplificador Inversor

Utilizando o Teorema da Superposição:

Amplificador Inversor

Amplificador Inversor

Amplificador Não Inversor

• Utilizando o conceito de terra virtual, temos:

• Portanto:

Seguidor de Tensão (Buffer)

• Este circuito apresenta uma altíssima impedância de

entrada e uma baixíssima impedância de saída;

• Suas aplicações: Isolador de estágios; Casador de

impedâncias, dentre outros.

Somador

• A tensão de saída:

Amplificador Diferencial ou Subtrator

• Este circuito permite que se obtenha na saída uma

tensão igual a diferença entre os sinais aplicados,

multiplicada por um ganho:

Comparadores

• O ganho do amplificador de malha aberta é muito

grande, mesmo para valores de tensão muito

pequenos a saída será limitada pelo valor de

saturação do Amp Op;

• Como a saída é dada por: , quando V+

for maior que V-, a saída será +VSAT, e quando V- for

maior que V+, a saída será –VSAT.

Comparadores

• O uso de um comparador pode ser exemplificado

como Sensor de Nível. Quando o nível estiver acima

(ou abaixo) do normal (valor de referência), o

comparador emite um sinal de saída para o sistema

controlador.

Comparador Não Inversor

Comparador Inversor

Comparador Com Referência Não Nula

Comparador com Tensão de Saída Limitada

• Colocando-se um diodo Zener na saída do

comparador, pode-se limitar Vo na tensão de

polarização reversa do diodo (normalmente 5,1V).

Integrador

• Utilizando o conceito de terra virtual, temos:

• Portanto:

• Pode ser reescrita no domínio do tempo como:

Notação de Laplace

Integrador

• A capacidade de integrar um dado sinal dá ao

computador analógico a possibilidade de resolver

equações diferenciais e, portanto, resolver

eletricamente operações de sistemas físicos

analógicos.

Integrador

Diferenciador

• Utilizando o conceito de terra virtual, temos:

• Portanto:

• Pode ser reescrita no domínio do tempo como:

Especificações do Amp Op

• Ganho de Tensão e Banda Passante (Largura de Faixa)

Especificações do Amp Op

• Ganho de Tensão e Banda Passante (Largura de Faixa)

Especificações do Amp Op

• Taxa de Subida (Slew Rate): É a máxima taxa na qual

a saída do amplificador pode variar em volts por

microssegundos.

Especificações do Amp Op

Especificações do Amp Op

• Máxima Frequência do Sinal em que um Amp Op

pode operar depende da banda passante (B) e da

taxa de subida (TS).

Para um sinal senoidal:

Especificações do Amp Op

Especificações do Amp Op

• Tensão de Offset de Saída: É a tensão na saída de

um AO quando não tem nenhum sinal na entrada.

• Existem duas as causas:

– Tensão de Offset de Entrada (Vio)

– Corrente de Offset de Entrada (Iio)

Tensão de Offset de Entrada (Vio)

• A saída de um amplificador operacional ideal é nula

quando suas entradas estão em curto circuito;

• Amp Op reais, devido principalmente a um

casamento imperfeito dos dispositivos de entrada, a

saída do Amp Op pode ser diferente de zero quando

ambas entradas estão no potencial zero.

Tensão de Offset de Entrada (Vio)

Tensão de Offset de Entrada (Vio)

• Significa dizer que há uma tensão C.C. equivalente,

na entrada, chamada de tensão de "offset“;

• O valor da tensão de "offset" nos Amp Op comerciais

estão situado na faixa de 1 a 100 mV.

• Os componentes comerciais são normalmente

dotados de entradas para ajuste da tensão de

"offset".

Corrente de Offset de Entrada (Iio)

• Amp Op ideal apresenta impedância de entrada

infinita;

• Amp Op apresentam correntes C.C. de polarização

em suas entradas. Essas correntes são, geralmente

devidas às correntes de base dos transistores

bipolares de entrada do amplificador operacional;

Corrente de Offset de Entrada (Iio)

• Como, na prática, os dispositivos simétricos de

entrada não são absolutamente iguais, as duas

correntes de entrada são sempre ligeiramente

diferentes.;

• A diferença dessas correntes é chamada de corrente

de "offset" de entrada;

Especificações da Unidade Amp Op

Código de Fabricantes

• É importante que o projetista conheça os diferentes

códigos para poder identificar o fabricante e buscar o

manual do mesmo (DATABOOK) do mesmo.

Especificações da Unidade Amp Op

Especificações do Amp Op

Desempenho do Amp Op