Helena Sarmento 1º semestre 2005/2006

Instituto Superior Técnico Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores Área de Electrónica

O amplificador operacional Parte 2: Factor de rejeição de modo comum (CMRR),taxa

de inflexão (slew rate) e tensão de desvio (offset)

Trabalho de Laboratório

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica

Licenciatura em Engenharia de Redes de Comunicação e Informação (LERCI)

Helena Sarmento 1º semestre 2005/2006

Introdução O amplificador operacional (ampop ou opamp do inglês) é um circuito integrado utilizado em variadas aplicações. Foi inicialmente utilizado em computação analógica para realizar diferentes tipos de operações tais como, inversão, soma, subtracção, integração, diferenciação, etc., sendo essa a origem da sua designação (operacional). Tem umas características que o aproximam do amplificador operacional ideal: resistência de entrada elevada (∞), resistência de saída baixa (0) e ganho elevado (∞). O circuito integrado é constituído por vários componentes entre os quais transístores e resistências. No entanto, nesta fase de estudo, será apenas analisado como um bloco de utilizado em circuitos de amplificação.

Objectivos

Este trabalho permitirá analisar algumas das limitações que o amplificador operacional apresenta face a um amplificador ideal. Serão comparados resultados experimentais com análises teóricas e/ou simulações eléctricas de circuitos.

Material

Módulo Operacional Amplifier DL 3155M16, da De Lorenzo Group, gerador de sinais e osciloscópio.

Relatório O trabalho deve ser preparado antes da sua realização no laboratório, efectuando análises teóricas e a simulações, que devem ser incluídas no relatório. Os resultados experimentais devem ser comparados com a análise teórica e com os resultados da simulação.

Plano de trabalhos Ganho de modo diferencial, ganho de modo comum e factor de rejeição de modo comum

1 Análise teórica: Considere os circuitos das figuras 1 e 2. Admitindo o Ampop ideal, determine as expressões do ganho de modo diferencial idodd vvA /= e do ganho de modo comum icocc vvA /= .

R7

R2

R5

R4

+

-

vod

vid

R7

R2

R5

R4

+

-

voc

vic

Figura 1 – Modo diferencial Figura 2 – Modo comum

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2 Simulação: Utilizando o Pspice (ambiente ORCAD), simule o comportamento eléctrico destes dois circuitos. Utilize para o amplificador operacional o componente de bibliote-ca, ua741/EVAL. R2 = 1 kΩ ,R4 = 100 kΩ, R5 = 1 kΩ e R7 = 100 kΩ.

Efectue uma análise AC (entre 0,01 Hz e 100 MHz). Qual o valor do ganho de modo diferencial e do ganho de modo comum (em dB)? Determine o factor de rejeição de modo comum (CMRR – Common Mode rejection Rate) definido pela equação 1.

CMRR = 20 log10(Ad/Ac) (dB) (eq 1)

3 Parte experimental: i) Ligue as tensões DC (+15 V, -15 V e 0 V) ao módulo DL 3155M16,. ii) Efectue as ligações e escolha convenientemente as posições dos interruptores S1,

S2 e S3, de modo a obter o circuito da figura 3.

1

R1

R2

R3

R4

S1

S2

- 15 V+

-

3

2

4

56

G

+15 V

S3

R6

R5

R7

Figura 3 – Esquema do circuito para determinar o modo diferencial

iii) Aplique na entrada uma tensão sinusoidal f = 1 kHz com uma amplitude que evite a saturação do ampop. Determine o valor do ganho de modo diferencial.

iv) Efectue as ligações e escolha convenientemente as posições dos interruptores S1, S2 e S3, de modo a obter o circuito da figura 4.

1

R1

R2

R3

R4

S1

S2

- 15 V+

-

3

2

4

56

G

+15 V

S3

R6

R5

R7

Figura 4 – Esquema do circuito para determinar o modo comum

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v) Aplique na entrada uma tensão sinusoidal f = 1 kHz com uma amplitude que origine na saída um valor pico a iço de 10 V. Determine o valor do ganho de modo comum.

vi) Determine o factor de rejeição de modo comum.

Taxa de inflexão (slew rate) Considere o circuito da figura 5.

R1R3

+

-

vo

vi

R7

R1 = 10 kΩ ,R3 = 10 kΩ e R6 = 10 kΩ.

Figura 5 – Análise da taxa de inflexão

4 Simulação: Utilizando o Pspice, efectue uma análise no tempo, aplicando na entrada

uma onda quadrada de 10 kHz que varie entre ±2,5 V. Compare a forma de onda da entrada com a da saída.

5 Parte experimental: i) Aplique na entrada uma onda sinusoidal com Vpp = 10 V e 1 kHz. Aumente a

frequência do sinal. Verifique a distorção no sinal de saída. Comente.

ii) Aplique na entrada de 10 kHz que varie entre ±2,5 V. Determine ∆V/∆t (taxa de inflexão ou slew rate). Compare com o valor do catálogo [1].

∆V

∆t

Vo

t

∆V

∆t

Figura 6 – Análise da taxa de inflexão

Compare com os valores obtido na análise teórica.

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Tensão de desvio (offset) Considere o circuito da figura 7.

R2R3

+

-

vo

R5

R2 = 100 kΩ ,R3 = 100 kΩ, R5 = 100 kΩ

Figura 7 – Simulação da tensão de desvio

1 Análise teórica: Qual o valor de Vo? 2 Parte experimental: Monte o circuito da figura 8.

1

R1

R2

R3

R4

- 15 V

+

-3

2

4

56

+15 V

R5

- 5 V

- 5 V

- V

R6 Figura 8 – Análise da tensão de desvio

i) Ligue um voltímetro na saída. Meça o valor da tensão de saída ii) Varie a resistência da resistência R6 de modo a anular a tensão na saída.

Referências [1] LM741 Operational Amplifier, National Semiconductor, www.national.com/ds/LM/LM741.pdf