ampops 741

Ampops UA741

AmplificadoresNo concordo com o acordo ortogrficoOperacionais

Electrnica Analgica: Amplificadores Operacionais - 74115-03-2012Por : Lus Timteon

1

So tambm muito empregues em aparelhos de medida e em diversos electrodomsticos e em automveis. Isto , a sua utilizao quase universal. O Amplificador Operacional (AMPOP) um dos componentes mais usados em electrnica.A simplicidade conceptual e a versatilidade so a chave da sua vasta e diversificada utilizao.Inicialmente, os amplificadores operacionais eram implementados sobretudo em circuitos de componentes discretos (em conjuno com resistncias e condensadores) para implementar filtros ou montagens amplificadoras. Actualmente, so apresentados em circuitos integrados, formando um blocos bsico facilmente integrvel em sistemas bastante complexos, como conversores analgico-digital e digital-analgico, osciladores, sintetizadores, filtros analgicos, circuitos optoelectrnicos e perifricos de comunicao (e.g. placas de rede, placas de som, portas de comunicao).

Amplificador Operacional


15-03-2012DAE2

suposto o amp-op detectar apenas a diferena de tenso entre os terminas de entrada, v(+)-v(-), multiplicando-a por uma quantidade A, de forma que sada aparece uma tenso:V0=A[(V+)-(V-)].Esta a zona de funcionamento linear, em que a tenso no terminal de sada do AMPOP V0 proporcional ddp entre os terminais de entrada, +e -. O termo Amp-Op era usado inicialmente (dcada de 40 sc. XX), para designar uma cadeia de amplificadores DC de alta performance, usados nos computadores analgicos e foi adoptado quando se fala de amplificadores operacionais. De um Amp-Ops sem dispositivos externos, diz-se em Malha Aberta, referindo geralmente caractersticas ideais do Amp-Op Ideal, e Malha Fechada para caractersticas e parmetros mais reais. Chama-se operacional porque pode realizar vrias operaes aritmticas e de clculo com voltagens analgicas. Amplificador Operacional


15-03-2012DAE3

O AMPOP pode ser analisado como um componente com trs zonas de operao distintas:

a zona de saturao negativa,a zona linear saturao positiva. e a zona de Representao: Tem um forma Triangular, que representa um Amplificador!...

V+V-

+V1

-V2 Uma entrada com sinal +, chamada No Inversora Uma entrada com sinal -, chamada Inversora Duas entradas de alimentao, com dupla polaridade Uma sada, Vout.

VoutNotar que a tenso de sada nunca pode ser superior tenso de alimentao.



15-03-2012DAE4

A702 Amplificador Operacional

Bob Widlar da Fairchild, desenvolveu em 1963 o primeiro circuito integrado AmpOp monoltico, o que para a altura foi um sucesso relativo, j que construir um amplificador operacional era muito complicado e era considerado um State of art.1965: A709 Bob Widlar reformulou o circuito com voltagens de 15V , maior largura de banda, maior ganho (60.000), menores correntes e foi um grande sucesso para a poca, embora ainda com a fraqueza de no ter proteco contra curto circuitosbaseado nesse sucesso Bob Widlar pediu aumento ao seu patro, Charles Spork que no cedeu, e Bob deixou a Fairchild e formou a National Semiconductors...O A702, tinha contudo alguns problemas; voltagens dispares de +12V -6V, pouca largura de banda, tendncia para queimar quando temporariamente curto circuitado mas era o melhor que havia.



1968: A741 Dave Fullagar, da Fairchild, desenhou este amplificador, muito similar ao LM101, mas com o condensador de compensao no interior do prprio IC, e foi um sucesso estrondoso, pelo que passados mais de 40 anos, ainda utilizado hoje em dia.1967: LM101 Bob Widlar entrou na onda, agora a trabalhar para a National Semiconductors, e desenhou um ampop com maior ganho, (160.000), e compensao de frequncia, atravs de um condensador externo, e o melhor de tudo foi o 1 ampop a ter proteco contra curto circuito.

1969: Charles Spork, tornou-se o director da National Semiconductors, voltando a ser de novo o patro de Bob WidlarDesta vez acedeu s exigncias de Bob, e este reformou-se em 1970 no dia em que cumpria 33 anos de idadeBob Widlar trabalhou de passagem para a Linear Electronics em 1980, e continuou a produzir designs para a National numa base de consultoria, o resto da sua vidafaleceu em 1991 com 53 anosA741


A 741 I PDADOS NO ENCAPSULADO DE UM CIRCUITO INTEGRADOFABRICANTE

AD Analog DevicesA FairchildCR RCALM National SemiconductorMC MotorolaNE/SE SigneticsOP Precision MonolithicsRC/RH RaytheonSG Silicon GeneralTL Texas InstrumentIDENTIFICAO GENRICA

Nome/funo do dispositivo

741 Amplificador de uso general081 Amplificador entrada FET311 Comparador rpidoGAMA DE TEMPERATURA

C: Comercial 0C hasta 70C

I: Industrial -40C hasta 85 C

M: Militar -55C hasta 125 CENCAPSULADO

D,P: PlsticoJ, N: CermicoM: Metlico


Caractersticas do Amp-Op Ideal Largura de Banda infinita (Bw = ).Resistncia de entrada infinita (Ri =). Ganho infinito (A = ). Resistncia de sada nula ( Ro =0). Rudo interno nulo. Tenses e correntes de desvio nulas (Vos = 0 V e Ios = 0 A). Derivas trmicas nulas ( quer em tenso quer em corrente).

V+V-

+V1

-V1

Vout



15-03-2012DAE8

Vi+A Vi

A = Ganho de tensoAmplificador ideal de tensoCaractersticas do amplificador ideal de tenso:No consome corrente na entrada.A tenso de sada no depende da carga. Ganho de tenso A constante e independente da frequncia.+-RLCarga

+-

VoAmplificador Operacional


Linearidade

A linearidade o comportamento de um circuito, particularmente um amplificador, em que a amplitude do sinal de sada varia na proporo directa do sinal de entrada. Num dispositivo linear, a relao da amplitude do sinal da Sada/Entrada sempre a mesma, independentemente da amplitude do sinal de entrada (desde que no seja demasiado forte). Esta situao chamada Saturao. A curva do amplificador dobra-se para uma inclinao horizontal enquanto a amplitude do sinal de entrada aumenta alm do ponto crtico, produzindo a distoro na sada. Mesmo que um amplificador tenha linearidades sob circunstncias normais, tornar-se- no-linear se o sinal de entrada for demasiado forte.Amplificador Operacional


20

40

Regio Linear

0 -VCC/A

+VCC/A

(v - v )-+

sat-V -VCC

sat+V +VCC

EntradaRelativaExemplos de Linearidade10 5 0 0 50 100

SadaRelativa2 Linearidade



Ganho em malha fechada:AmplificadorAo

Ve-VrVs

Realimentao

VeVr+-

Se o ganho em malha aberta muito grande1/Ao0

O ganho dum sistema REALIMENTADO INDEPENDENTE do ganho do amplificador, dependendo quase exclusivamente do factor .Ento:=A Realimentao Negativa diminui o ganho e a positiva aumenta o ganho

Dividindo por ADividindo por AoRealimentao Negativa


100mVMalha Fechada

xexs

xe+-

10.000 5.000 Malha Aberta

100mV

+1KV

-500 V

+500 V

xr

Malha Fechada

+5 V-5 V

Impraticvel (?)

Realimentao Negativa


A

VE

VSb

VR

-

Realimentao negativa: A b > 0VE -VRPor exemplo:A > 0 e b > 0

Se por qualquer perturbao a sada se aumenta:VS VR VE -VR VS A realimentao tende a compensar as perturbaes da sada.Realimentao Negativa


Exemplo de Realimentao Negativa: A b > 0

VE

Motor DC

Tacmetro




VE

Motor DC

Tacmetro

Freio

-

Referncia

ErroRealimentao Negativa



Motor DC

Tacmetro

Freio

-

RefernciaVE

Erro

A realimentao negativa tende a compensar as variaes da sada.Realimentao Negativa


Motor + carga

Referncia

Velocidade ConstanteTacmetro + circuito

-

Este sistema equivale a:Exemplo de Realimentao Negativa: A b > 0Realimentao Negativa


Vantagens da Realimentao Negativa

Facilita a Manuteno (substituio dos ampops, visto independncia em relao ao ganho).Aumenta a estabilidade. Aumenta Largura de banda.Reduz a distoro no linear.Melhora as Impedncias de entrada e de sada.Reduz a sensibilidade do sistema a variaes de parmetros. Desvantagens da RealimentaoA principal desvantagem a reduo do ganho, que facilmente ultrapassvel aumentando o nmero de andares amplificadores.Realimentao Negativa


ResumindoQuando existe uma resistncia ligada entre o terminal de sada, Vo, e o terminal da entrada inversora (-), diz-se que o ampop tem realimentao negativa.

InversorUma percentagem da sada ser subtrada na entrada

No Inversor



15-03-2012DAE20

Exemplo de Realimentacin Positiva: A b > 0

Motor DC

Tacmetro

Freio

-

Referncia

-1

Realimentao Positiva


Motor DC

Tacmetro

Freio

-

Referncia

-1

Erro A realimentao positiva tende a aumentar as variaes da sada (ou pra ou se embala).Exemplo de Realimentacin Positiva: A b > 0Realimentao Positiva


Quando existe uma resistncia ligada entre o terminal de sada, Vo, e o terminal da entrada no inversora (+), diz-se que o ampop tem realimentao positiva.

Se o ganho em malha aberta muito grandeVirUma percentagem ( 0negativo) da sada ser somada na entradaQue poder criar instabilidade ir saturaousa-se em osciladores e Multivibradores e normalmente controlado por realimentao negativa afim de manter a estabilidade.AmplificadorAo

Ve-VrVs

Realimentao

VeVr++

ResumindoRealimentao Positiva


15-03-2012DAE23

Realimentao Positiva

POSITIVA


Realimentao com Amplificadores OperacionaisFuncionamento estvel.Se Vo aumenta Vx aumenta.Ento, Vo diminui.

EquilbrioVx0 1VinRVoVx0 1VinRVoNEGATIVAFuncionamento instvel.Se Vo aumenta Vx aumenta.Ento, Vo aumenta...Acaba saturando-se


Caractersticas do Amp-Op Ideal Caractersticas ideais de um Amp-Op.

A(v - v )12

12(Power-supply Common Terminal)i = 02

i = 01

out R = 0A = (v = v )-+in R = (I = I = 0)12A(v - v )-+v0=

vSAT+vSAT-

vi-vCC+vCC


15-03-2012DAE25

No Idealidades do Ampop

Dependendo da utilizao do circuito, o impacto de algumas destas caractersticas tem de ser avaliado e minorado.Ganho A finito;(104 a 105).Correntes de polarizao Bias' nas entradas ;(nA ou pA).Tenso de desvio 'offset' entre as entradas; (mv).Ganho dependente da frequncia;Produto Ganho -Largura de Banda constante;Deriva de caractersticas com tempo/temperatura;Resistncia de sada finita; (10 a 1K).Resistncia de entrada finita; (>2M).'Slew-Rate' tpico 1 a 20 V/s.Rudo nulo.


Caractersticas do Amp-Op Real Ganho infinito (A = ). Resistncia de entrada infinita (Ri =).

V+V-

+V1

-V2

VoutOs amplificadores operacionais de uso geral so amplificadores de tenso controlados por tenso. Ganho105 Cerca de 2M.

A impedncia de entrada do amp-op a do amp-diferencial: Ri = 2re No A741 Sabemos que a corrente de emissor do amp-diferencial aproximadamente 15A e como cada emissor retira metade desta valor , temos: Vem(*) re = 25mV / 7,5 = 3,33K.Cada transistor da entrada possui um tpico de 300, portanto: Ri = 2 (300)(3,33K.) = 2M. Resistncia de sada nula ( Ro =0).Cerca de 75 .

(*) re =VT/IE = 25 mA/IE


15-03-2012DAE27

Caractersticas do Amp-Op Real Caractersticas Reais de um Amp-Op.

Regio Linear

-VCC/A

+VCC/A

0 (v - v )-+

A(v - v )12

12i 02i 01

se A 1 v v -+in R A(v - v ),-+v0=v0

VCC

out R RL out V

v1v2out I

V+sat+VCC

V-sat-VCC


15-03-2012DAE28

Os Amp. Ops, no que respeita a componentes internos, obedecem a trs requisitos fundamentais: Elevado ganho em malha aberta: >10.000 ou 80 dBs. Uso de acoplamento directo: (amplifica AC e DC). Possibilidade de realimentao negativa atravs de resistncia entre a sada e a entrada.( sem realimentao, difcil porque a sada vai facilmente saturao usando-se normalmente malha fechada com realimentao negativa)AmpOps - Caractersticas


15-03-2012DAE29

Esquema Bloco Funcional

Fonte Corrente e Tenso

2AmP.

Andar Sada

Vout

(-)(+)V1V2

Shifter

DC Level.

Fonte Correntes

+V-V

AD

OffsetOffset


15-03-2012DAE30

Fontes Corrente Evitam que o ripple, rudos e outras interferncias de alimentao, atinjam os vrios andares. Funcionam como buffers entre os andares e as tenses de alimentao. Fornecem as polarizaes necessrias aos circuitos. J foram referidas quando falamos dos AD, mas

AD

Fonte Corrente e Ref de Tenso

2AmP.

Andar Sada

Vout

(-)(+)V1V2

Shifter

DC Level.

Fonte Correntes

+V-V



15-03-2012DAE31

Vamos agora referir um circuito muito usado nos AmpOps, podendo apresentar vrias formas. I1= I2 e T1=T2; I2 no depende de Vc mas sim de I1. Espelho de Corrente (Current Mirror) Se R for varivel, logo I2 ser varivel. De notar que T1 tem a Base Colector shuntada.I1=I2-V

R

-Vc

+VT2T1

I1

I2

AD


2AmP.

Andar Sada

Vout

(-)(+)V1V2

Shifter

DC Level.

Fonte Correntes

+V-V

Fontes Corrente Esquema Bloco Funcional


741 - Fontes de Corrente e ProtecesTransistores Q11 e Q12 forma uma metade de um espelho de corrente que usado para fornecer corrente ao todo Ampop.Transistor Q10 utilizado para fornecer uma corrente de polarizao para o andar de entrada, Q13B fornece o segundo Amplificador, e Q13A fornece o Andar de Sada.Transistores Q15, Q21, Q24 e Q22, e as resistncias R6, R7 e R11 compem o circuito de proteco de curto-circuito do Andar de Sada


Andar DiferencialUsa acoplamento directo (DC), logo amplifica sinais DC e AC.O cancelamento de condies causadoras de desvios na sada (erros), isto sinais iguais nas entradas (rudos ou interferncias) .Melhora a estabilidade, largura de Banda e impedncia de entrada usando realimentao negativa.

AD


2AmP.

Andar Sada

Vout

(-)(+)V1V2

Shifter

DC Level.

Fonte Correntes

+V-V



15-03-2012DAE34

741 - Andar DiferencialO andar de entrada consiste na transistores Q1 a Q7 com polarizao realizada por Q8, Q9, e Q10.Os transistores Q1 e Q2 so seguidores de emissor o que faz com que a resistncia de entrada seja elevada e acoplar o sinal diferencial de entrada ao amplificador de base comum formado por Q3 e Q4.Transistores Q5, Q6, e Q7, e as resistncias R1, R2, R3 formam o circuito de carga do andar de entrada. Este circuito fornece uma resistncia de carga elevada , entre os seus emissores pode ser ligada uma resistncia de Offset Null.Transistores Q3 e Q4 tambm servem como proteco para Q1 e Q2. A juno emissor-base de Q1 Q2 e quebra a cerca de 7V, mas os transistores PNP tm tenses de ruptura de cerca de 50V. Assim, tendo-os em srie com Q1 e Q2 protege Q1 e Q2 de ruptura quando duma de uma m ligao acidental entre os terminais de entrada ..


2 Andar AmplificadorAlm do AD de entrada o responsvel pelo elevado ganho do Ampop.O 2 Amp. Pode ou no ser um AD, mas no esquecer que o ganho do A.O. (em tenso) dado pelo AD e 2 Amp.

AD


2AmP.

Andar Sada

Vout

(-)(+)V1V2

Shifter

DC Level.

Fonte Correntes

+V-V



15-03-2012DAE36

O segundo andar amplificador composto por Q16, Q17,Q13B, e as resistncias R8 e R9.Transistor Q16 actua como um seguidor de emissordando uma entrada de alta resistncia ao amplificador Q17.Transistor Q17 um amplificador de emissor comumcom uma resistncia de 100- no emissor. A cargadeste amplificador composto pela resistncia de sadade Q13B. A utilizao de um transistorcomo uma resistncia de carga chamado de carga activa.A sada deste amplificador (o colector do Q17) tem um ciclo de realimentao atravs Cc. Este condensador faz com que o Ampop tenha um plo a cerca de 4Hz. 741 2 Andar Amplificador


Vo

+VCCIEV1

Andar de Sada

ltimo Andar Interm.

-VEER2R1

VBE

DC level ShifterTranslao de nvel DC.Usa-se fazer correces (azeramento) de modo que quando ambas as entradas do ampop forem zero, garantir que a sada tambm zero.Evita que, com uma entrada nula, a sada no seja nula. aqui que so feitas as correces de tenso e polarizao de Entrada.

AD


2AmP.

Andar Sada

Vout

(-)(+)V1V2

Shifter

DC Level.

Fonte Correntes

+V-V



Translao ou referenciador de nvel (Cont.)V1-Vo = VBE +IE.R1Em que V1-Vo representa a translao de nvel.Se soubermos qual o nvel que devemos ter entrada do andar de sada Vo, e quais os valores de V1, VBE e IE, podemos calcular R1 por forma a que Vo seja zero.Vo

+VCCIEV1

Andar de Sada

ltimo Andar Interm.

-VEER2R1

VBE

DC level Shifter Esquema Bloco Funcional


15-03-2012DAE39

Translao ou referenciador de nvel (Exemplo)

1,8V

0V

Normalmente IE vem de uma fonte de corrente Constante.Se o Transstor de Silcio VBE=0,6VV1-V0 = VBE+IE.R1Neste caso V1=1,8V e IE= 2mALogo: 1,8=0,6+(0,002xR1)Logo: R1=1,2/(0,002)= 600IE

Vo

+VCCV1

-VEER1VBE

2mA DC level Shifter Esquema Bloco Funcional


15-03-2012DAE40

Andar SadaO andar de sada normalmente um andar de potncia cuja finalidade fornecer uma grande corrente de sada (ganho em corrente) e baixa impedncia de sada.Assim o andar de sada um Buffer com ganho de tenso unitrio e elevado ganho em corrente. O andar de sada pode aparecer sob vrias formas...

AD


2AmP.

Andar Sada

Vout

(-)(+)V1V2

Shifter

DC Level.

Fonte Correntes

+V-V



15-03-2012DAE41

Andar Sada (Cont.)

T2

T1R1R2T3T4

RL-Vs+VsOutputT1 e T3 constituem a sada. T2 e T4 so proteces de curto-circuito.

IRLIRL a corrente de sada atravs da carga e fornecida quer por T1 quer por T3.

Se IRL x R1 0,7V T2 entra em conduo limitando a corrente em T1.O mesmo se aplica a R2 T4 e T3.

Classe B Complementar. Esquema Bloco Funcional


15-03-2012DAE42

RLQ2

Vs

Q1

Rs

Amplificador Cascode. (Cascata)Q1 est montado em EC e Q2 em BC.IC1= IE2, sendo ambos os transstores iguais. Com Q1 em Emissor Comum e Q2 em Base Comum, tem um alto ganho em Tenso e corrente...Com a entrada de impedncia mdia e a sada de impedncia elevada. Andar Sada Esquema Bloco Funcional


5Substrato

D1

Q1

R23KQ2Q3R33KR4K18R13K32769841

10Amplificador Cascode.Esquema do CI MC1550, uma amplificador Cascode constitudo por Q1, Q2 e Q3, e neste caso serve para o circuito CAG. Andar Sada Esquema Bloco Funcional


741 Andar de Sada

O andar de sada consiste no par de complementar Q14 e Q20, e um andar de sada de classe AB composto de Q18 e Q19 onde feito tambm o desacoplamento DC. Q15 e Q21 e do Proteco de curto-circuito a Q14 e Q20. Q13A fornece corrente ao andar de sada.O objectivo do andar de sada para fornecer um amplificador com uma baixa resistncia de sada. Outro requisito do Andar de sada a capacidade para dissipar as correntes de carga de grandes dimenses sem dissipar grandes quantidades de energia. Isto feito atravs do andar de sada classe AB.


Amplificador Operacional Real- A741Esquema Elctrico

ADSada

FonteCCFonteCCFonteCC2AmpDC LevelNull


15-03-2012DAE46

741- Anlise DC Corrente de Polarizao de Referncia Esta corrente gerada por Q11, Q12 e resistncia R5. Destes, podemos escrever:

A partir deste valor de IREF, a corrente no colector do Q10 pode ser calculada:

Este valor (IC10) duas vezes o valor de I (que usado mais tarde na anlise DC.


741- Anlise DC Andar de Entrada

Usando o valor de IC10 encontrado antes, a anlise desenrola-se como mostrado no esquema.Esta anlise feita usando um espelho de corrente padro de BJTs, e as equaes de livros didcticos de amplificadores diferenciais .


741- Anlise DC 2 Andar Amplificador Assumindo que () beta seja >> 0, a equao da corrente de polarizao DC fica:


741- Anlise DC Andar Amplificador de SadaAssumindo o facto de que Q13A proporciona de IREF, resultam as seguinte sadas:

Se a Vbe assumida como sendo 0,7 V, a corrente em R10 18A que faz com que o seguinte:

Uma vez que a corrente de base de Q18 IC18 / = 162A / 200:


741- Anlise DC Tabela de ResultadosAbaixo est uma tabela que lista as correntes de colector de todos os transistores..


741- Anlise de pequenos sinais Para visualizar melhor as vrias propriedades de pequenos sinais do Ampop A741, construiu-se um simples circuito inversor volta do ampop.

Este circuito o circuito que ir ser utilizado na anlise que se segue. Ele tem um ganho de 100 (Rf / R).


741- Anlise de pequenos sinais Resposta em Frequncia

Ao circuito do Ampop, fornecido um sinal AC de 1mV de amplitude, e realizada uma anlise de frequnciaO circuito amplificador inversor gera um ganho de 100 at atingir a frequncia de 8 KHz. Aps este ponto, comea a atenuar em 20 dB por dcada at atingir ganho unitrio de 1MHz.


741- Anlise de pequenos sinais Anlise de TransientesAo circuito do Ampop agora fornecido um sinal sinusoidal de 1kHz com a amplitude de 1mV e realizada uma anlise transientes

O Ampop gera um sinal de 100mV que o inverso exacto do sinal de entrada. Isto verifica se o Ampop est realmente amplificando o sinal de forma adequada, bem como inverter o sinal...


741- AnliseConcluses FinaisO amplificador operacional A741 um circuito verstil, que no adversamente afectado por interferncias externas.Alteraes em beta, valores de resistncias e temperatura tm pouco efeito sobre o funcionamento do Ampop.A tecnologia continua a melhorar, os amplificadores CMOS esto comeando a se tornar mais popular do que os seus primos usando BJTs. Isto mostra o quo bem o uA741 foi projetadoNo entanto


Dvidas?

Questes ?...?


Bibliografiashttp://www.calvin.edu/~pribeiro/courses/engr332/Handouts/741opAmp.pptwww.ate.uniovi.es/ribas/Docencia05_06/Electronica_y_automatismos_9047/Presentaciones/Amplificadores.ppshttp://www.cowardstereoview.com/analog/


Sheet1DC Collector Currents of the 741 op-amp (uA)Q19.5Q819Q13B550Q1915.8Q29.5Q919Q14154Q20154Q39.5Q1019Q150Q210Q49.5Q11730Q1616.2Q22180Q59.5Q12730Q17550Q230Q69.5Q13A180Q18165Q240Q710.5

Sheet2

Sheet3

ampops 741

Technology