apostila amplificadores operacionais

8/18/2019 Apostila Amplificadores Operacionais

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Centro Universitário Central Paulista – UNICEP

Engenharia de Computação

Eletrônica Aplicada

-- 1º semestre de 2014–


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Amplificadores

Operacionais

Introdução


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1 – Definição:

“Amplificador multiestágio de acoplamento direto e entrada

diferencial, cujas características aproximam-se das características

de um amplificador ideal”.

Circuito eletrônico integradocomposto de resistores, diodos,

transistores e capacitores.


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2 – Estrutura interna básica:


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3 – Simbologia completa e simplificada:

= + − .

+

−


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4 – Histórico:

1934 - Harry Black Harold Stephen Black) • Amplificador estável diante de mudanças de temperatura e

variações da fonte de alimentação utilizada;

• Realimentação do sinal.

1947 - Criação do transistor de contato, mais tarde aperfeiçoado

por William B. Shockley, que o apresentou em 1951• Transistor ainda era um componente caro comparado as

válvulas que dominavam o mercado.


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1952

- George A. Philbrick

• K2-W pioneiro no que diz respeito a AO´s, teve como

objetivo realizar operações matemáticas, úteis à computaçãoanalógica;

• Desvantagens: valvulado, o que acarretava em grandesdimensões, dissipava muita potência, possuía altas tensões

de trabalho, custo difícil de ser reduzido.

1959 - Jack Kilby

•

Desenvolveu e patenteou um circuito eletrônico miniaturizado, que mais tarde seria chamado de circuitointegrado.


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1963

- Robert Widlar, Fairchild Semicondutores

• µA702 - primeiro AO, utilizando o transistor de Shockley e

técnica de integração de Kilby;

•

Desvantagens: operava com alimentação dupla, porémassimétrica (+12V e –6V), baixo ganho de tensão (3600 ou 71dB),

baixa impedância de entrada e dissipava muita potência.


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1965 -

Fairchild Semicondutores

• µA709 - reconhecido como o primeiro AO de qualidade, mas

longe do que os pesquisadores idealizavam;

• Assimetria das fontes, já havia sido resolvida, agora operava com

fonte simétrica de ±15V assim como a baixa impedância, agora

400k Ω contra os 40k Ω de seu antecessor;

• Ganho ultrapassava 45000 ou 93dB;

• Embora a indústria de circuitos integrados tenha evoluídobastante, ainda não era possível o encapsulamento de capacitores,

assim havia necessidade de compensação externa.


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1968 -

Fairchild Semicondutores

• µA741 - surge um padrão industrial para AO, já compensado

internamente, este alcançaria grande sucesso e é usado até os diasatuais.

Novas tecnologias, uma nova geração :

AO modernos, de alto desempenho.

• BIFET - construído com tecnologia BIPOLAR (transistores

bipolares) e JFET (transistores de efeito de campo), LF356;• BIMOS - utilizam a tecnologia BIPOLAR e MOSFET (Metal-Óxido

Semicondutor), CA3130.


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Resumindo...

1945 – 1◦ geração – válvulas;

1955 – 2◦ geração – transistores;

1965 – 3◦ geração – bipolares;

1963 - µA702 1965 - µA709

1968 - µA741

1975 - 4◦ geração – BIFET e BIMOS.


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5 – Codificação de fabricantes do circuito integrado 741:

O 741, AO de uso geral, é fabricado por diversas indústrias decomponentes eletrônicos que adotam nomenclaturas diferentes

para esse componente, ou acrescentando um prefixo próprio ou

ainda mudando completamente o nome.

• Mais comuns: LM741 ( Fairchild, National e Texas) e MC1741

(Motorola);

• Outros: UA741 (µA741), AN1741, TDA1741, ZLD741, TBA221,

MC1539, TL321.


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6 – Como identificar um AO:

Nem todos os fabricantes utilizam precisamente o mesmotipo de código, mais na maioria podemos identificar 3 partes

escritas do código:

• Letras de prefixo;

• Identificação do circuito e faixa de temperatura;

• Letra de sufixo.


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Letras de prefixo: identificam o fabricante.

AD - Analog Devices ;

CA - RCA ;

LM - National Semiconductor Corp.;

MC - Motorola;

NE/SE - Signetics;OP - Precision Monolithics;

RC/RM - Raytheon;

SG - Silicon General;

TL, LM - Texas Instruments;UA, μ A, LM - Fairchild.


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Identificação do circuito e faixa de temperatura: os números queidentificam o circuito acompanham o código da faixa detemperatura.

C - comercial, 0°C a 70°C ; I - industrial, -25°C a 85°C ;

M - militar, -55°C a 125°C .

Letra de sufixo: identifica o tipo de invólucro que “hospeda” ocircuito eletrônico.

D - plástico DIP*; J - cerâmico DIP (CerDIP);

N, P - plástico DIP para inserção em soquetes; TO – metálico SIL*.

*Dual in line package - cápsula com dupla fila de pinos;

*Transistor out line - cápsula com terminais “fora” de linha;

*Single in line package – cápsula com fila única de pinos.


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Invólucro plástico

Cápsula com dupla fila de pinos - DIP

Invólucro cerâmico

Cápsula com dupla fila de pinos

CerDIP

Invólucro plástico

Cápsula com fila única de pinos - SIL

Invólucro metálico

Cápsula com fila circular - SIL


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Exemplo:

Plástico DIP parainserção em soquete


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7 – Os terminais do AO 741:

Pinos 07 e 04 - Alimentação simétrica

A alimentação dupla é a mais comum, porém em algumas aplicações aalimentação simples, também pode ser usada. Não é muito comum

encontrar fonte simétrica em laboratórios, porém deve-se improvisar

com duas fontes comuns.


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Pinos 01 e 05

- Ajuste de off-set

O fato dos componentes do estágio diferencial de entrada,

usualmente transistores, não serem realmente idênticos, provoca um desbalanceamento interno do qual resulta uma tensão nasaída denominada tensão de desequilíbrio de saída Voff, tambémchamada de offset de saída.

Em vários AOP´s comerciais existe um circuito de compensaçãoque permite corrigirmos este problema. Alguns deles sãoautomáticos, utilizam compensação interna, e outros a

compensação é feitas via um ajuste externo, por exemplo o 741,através dos terminais Offset Null ou balance para o “zeramento” desta tensão.


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O ajuste pode ser feito conectando um resistor variável entre os pinos 01 e

05 e a alimentação negativa.

A maneira com que esta compensação é feita pode variar bastante, portanto, devemos sempre consultar os dados fornecidos pelo fabricante.

Na prática, esta tensão de offset pode provocar diversos problemas

principalmente em circuitos onde se trabalha com pequenos sinais (da

ordem de mV), por exemplo: instrumentação petroquímica einstrumentação nuclear.


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Pinos 03 e 02 - Entradas de sinais

O AO possui internamente um estágio amplificador diferencial, portanto

disponibiliza ao usuário duas entradas sendo uma inversora (pino 02) e uma não inversora (pino 03).

Somente amplificado Amplificado e invertido

= + − .

+

−


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8 – AO real e ideal em malha aberta:

O AO é considerado por muitos um amplificador ideal, ou seja, é tratadocomo uma “caixa preta” onde seus parâmetros internos não têm efeito na

relação entrada/saída do sinal. Em muitas aplicações, é assim mesmo que ele

deve ser considerado, porém, um AO ideal é utopia, se analisado com

cuidado o amplificador real não possui características ideais, mas estão muito próximas, ou seja, possui alguns parâmetros altíssimos, idealmente

infinitos e outros baixíssimos, idealmente zero.

Para facilitar toda a análise de funcionamento, dedução de expressões,

vamos considerar o AO como um componente que apresenta característicasideais.


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• Ganho: no ideal, seria infinito. Na prática, valores tão altos como200000 e 10são possíveis (para que a amplificação seja viável inclusive

para sinais de baixa amplitude, é necessário que o amplificador possua

um alto ganho de tensão);• Impedância de entrada: infinita no ideal. Na prática, valores como

10M Ω são possíveis (isso significa que o amplificador não consomecorrente pelas entradas);

• Impedância de saída: nula no ideal. Valores como 75Ω são encontrados na prática, significando ausência de queda de tensão interna na saída;

• Resposta de frequência: de zero ao infinito no ideal. Na práticaescolhem-se tipos com resposta bastante acima da frequência na qualirão operar, de modo que um sinal de qualquer frequência possa seramplificado sem sofrer corte ou atenuação.


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Parâmetros Ideal Real µA741) AO´s BiFet, BiMos

Ganho Infinito Acima de 100000 Acima de 300000

(CA3130)

Resposta em

frequência

De zero a infinito 1MHz Acima de 15MHz

Impedância de

entrada

Infinita 2M Ω Acima de 2T Ω

Impedância de saída Nula 75Ω Inferior a 1Ω


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Principais características do AO ideal:

• Impedância de entrada infinita –

não consome e nem fornececorrente através de suas entradas;

• Impedância de saída nula – a saídaé uma fonte de tensão ideal

independente da corrente drenada pela carga acoplada à saída;

• Ganho de tensão infinito – paraque a amplificação seja viável,

inclusive para sinais de baixaamplitude o ganho de tensão éinfinito;

• Ausência de qualquer limitação em

frequência e em amplitude.


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Algumas definições:

• Sensibilidade à temperatura DRIFT) - variações térmicas podem provocaralterações acentuadas nas características elétricas de um amplificador. A

esse fenômeno chamamos DRIFT. Seria ideal que um AO não apresentassesensibilidade às variações de temperatura. Nos manuais de fabricantesencontram-se os valores das variações de corrente e tensão no AO,

provocadas pelo aumento de temperatura. A variação de corrente é

representada por

∆I

∆T e seu valor é fornecido em nA/°C. A variação datensão é representada por

∆

∆ e seu valor é fornecido em µV/°C.

Texas Instruments - OP2188, amplificador operacional de ultra precisão e

DRIFT tão baixo, que costuma ser chamado de “zero-drift ” *.* http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1316744


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OPA188/2188/4188:

∆

∆T= 0,03 µV/°C

LM741 -

∆

∆

= 15 µV/°C


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Algumas definições:

• Slew Rate - velocidade de resposta do AO a uma variação de tensão

na entrada, este valor na teoria deveria ser infinito, o que narealidade não acontece. Logo conclui-se que quanto maior for o

valor deste parâmetro melhor será o AO.

OPA188/2188/4188 – Slew Rate =0,8 V/µs

LM741 – Slew Rate típico = 0,5 V/µs


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9 – Por que razão“oper ion l” ?

O termo operacional decorre do feito deste ter sido umelemento chave na implementação dos antigos computadores

analógicos, muito usados para a realização de operações

matemáticas antes do advento dos computadores digitais.


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10 – Razões do uso em larga escala de um AO:

A grande utilidade dos AO´s está em, uma vez definido um bloco

padrão, com função de transferência conhecida e comportamento ideal,

possibilitar a fácil construção de uma enorme quantidade de circuitos

aplicativos sem a necessidade de conhecermos detalhes de sua estrutura

interna, ou seja, é um componente de fácil compreensão e utilizaçãorelativamente simples e está disponível na forma de circuitos integrados.


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11 - Bibliografias referentes e artigos interessantes:

• The Op Amp’s Place In The World - Ron Mancini;

• Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos - Antônio

Pertence Júnior;

• Amplificadores Operacionais: Teoria e Análise -

Antônio Carlos Seabra;

• Datasheets dos componentes.


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Avisos:

E-mail: The Op Amp’s Place In The World - Ron Mancini;Slides_2;

Lista 1.

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