relatorio lab 1 v2

Análise e Processamento de Sinais

Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e

de Computadores (MEEC)

Trabalho de Laboratório nº 1:

Estudo de Circuitos com Amplificadores

Operacionais: Amplificador Inversor,

Amplificador Não-Inversor e Seguidor de

Tensão

Realizado por:

120281007 – Luís Duarte Carriço Lopes

120281008 – Marco Daniel Teodoro Gonçalves

Docente: Jorge Martins

ESTSetúbal • 19 de Março de 2013

Laboratório nº1 – Amplificadores Operacionais

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ÍNDICE

1. Introdução ........................................................................................................... 2

2. Lista de Material .................................................................................................. 4

3. Amplificador de tensão Inversor .......................................................................... 5

3.1 Estudo Teórico .................................................................................................. 5

3.2. Simulação Multisim e Experimentação Prática ................................................. 5

3.3. Verificação experimental .................................................................................. 7

4. Amplificador de tensão Não-Inversor ................................................................... 9

4.1. Estudo Teórico .............................................................................................. 9

4.2. Simulação Multisim ..................................................................................... 10

4.3. Verificação experimental............................................................................. 12

5. Seguidor de Tensão............................................................................................ 14

5.1. Estudo Teórico ............................................................................................ 14

5.2. Simulação Multisim e verificação experimental ........................................... 15

6. Conclusões......................................................................................................... 22

7. Bibliografia ........................................................................................................ 23


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1. INTRODUÇÃO

Pretende-se com este trabalho tomar conhecimento dos circuitos básicos com

amplificadores operacionais (Figura 1), tais como: amplificador inversor, amplificador

não-inversor e seguidor de tensão.

Figura 1 – Amplificador operacional TL01 (retirado do datasheet da ST); (a) encapsulamento

DIP8; (b) diagrama de ligações.

Será estudado os ganhos para os diversos circuitos. Além disto irá ser estudado

apenas para a circuito seguidor de tensão o efeito do aumento de frequência e o

aumento da amplitude do sinal de entrada.

Para este estudo será realizado a demonstração física e matemática dos ganhos de

tensão das diferentes montagens eléctricas, assim como a simulação através do

simulador Multisim 12.0 Student Version, assim como a comprovação

experimentalmente. O efeito do aumento de frequência e do aumento da amplitude do

sinal de entrada para o seguidor de tensão será analisado também quer através de


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simulação Multisim como experimentalmente e comparado os dados do datasheet do

fabricante.


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2. LISTA DE MATERIAL

Para a realização deste laboratório utilizou-se o seguinte material:

Fonte de Alimentação de Laboratório – Marca GW, Modelo GPC 3030D

Gerador de Sinais – Marca Topward, Modelo 8180

Osciloscópio Digital – Marca Tektronics, Modelo 1002

Breadboard de electrónica

Amplificador Operacional (Ampop) TL071

2 condensadores de 1µF

2 resistências de 10kΩ

1 resistência de 27kΩ


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3. AMPLIFICADOR DE TENSÃO INVERSOR

3.1 ESTUDO TEÓRICO

A determinação do ganho desta montagem pode ser obtida através da análise das

malhas da entrada e da saída do AMPOP (Figura 2). Estas equações irão ser

posteriormente colocadas em função de Vi e Vo de forma a obter o ganho da

montagem.

− + 1×1 − = 0

−2 × 2 + =0

Como a tenção Vin é 0 pois é uma massa virtual, as expressões podem ser

simplificadas, obtendo assim:

= 1×1

= 2 × 2

E como o AMPOP não tem consumo de corrente:

1 = −2

=

= −

2

1

3.2. SIMULAÇÃO MULTISIM E EXPERIMENTAÇÃO PRÁTICA

Realizou-se a simulação eléctrica do circuito (Figura 2) utilizando uma onda sinusoidal

de 1V de amplitude e 1kHz de frequência.

Figura 2 – Esquema de montagem da simulação eléctrica em Multisim 12.0 Student Version do

amplificador inversor.


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Analisando as formas de onda da tensão de saída (Figura 3) verifica-se que o ganho é

unitário inverso uma vez que a amplitude da tensão de entrada e de saída é igual mas

com polarização inversa:

=

=

= −1

Desta forma verifica-se que o ganho obtido na simulação coincide com o ganho

previsto teoricamente:

= −

= −

= −1

Figura 3 – Formas de onda da tensão de entrada (Vi) e de saída (V0) do amplificador inversor

com G=-1 através do Multisim.

Substituindo a resistência R2 por 27k obtêm o gráfico da Figura 4. Analisando as

formas de onda verifica-se que o ganho é:

=

=

,

= −2,7



= −

= −

= −2,7


- 7 -

Figura 4 - Formas de onda da tensão de entrada (Vi) e de saída (V0) do amplificador inversor

com G = - 2,7 através do Multisim.

3.3. VERIFICAÇÃO EXPERIMENTAL

Foi realizado a montagem tal como o circuito eléctrico da Figura 2 e registou-se as

formas de onda da tensão de entrada (Vi) e da tensão de saída (V0) (Figura 5).

Analisando as formas de onda da tensão de saída (Figura 5). Verifica-se que o ganho

é unitário inverso uma vez que a amplitude da tensão de entrada e de saída é igual mas

com polarização inversa:

=

=

= −1

Verifica-se que o ganho encontrado experimentalmente é igual ao previsto

teoricamente (G = -1) já calculado anteriormente.


- 8 -

Figura 5 – Formas de onda da tensão de entrada – canal 1 (Vi) e da tensão de saída – canal 2

(V0) com ganho unitário inverso retiradas experimentalmente.



=

=

,

,= −2,67.

Verifica-se que o ganho encontrado experimentalmente é praticamente igual ao

previsto teoricamente (G = 2,7) já calculado anteriormente.


- 9 -

Figura 6 - Formas de onda da tensão de entrada – canal 1 (Vi) e da tensão de saída – canal 2

(V0) para o esquema da Figura 2 com resistência R2 = 27k (G = - 2,67) retiradas

experimentalmente.

4. AMPLIFICADOR DE TENSÃO NÃO-INVERSOR

4.1. ESTUDO TEÓRICO

À semelhança do circuito anterior, iremo-nos recorrer à lei das malhas para fazer a

análise do circuito (Figura 7) de forma a obter as equações que irão relacionar a entrada

e a saída do AMPOP, de forma a poder-se obter as seguintes equações:

− − + 1× = 0

−2 × − 1 × + =0

Como a tenção Vin é 0 pois é uma massa virtual, as expressões podem ser

simplificadas, obtendo assim:

= 1×

= (2 + 1)

Desta forma, o ganho da montagem será:

=

=

2 + 1

1= 1 +

2

1


- 10 -

4.2. SIMULAÇÃO MULTISIM

Realizou-se a simulação eléctrica do circuito (Figura 7) utilizando uma onda sinusoidal

de 1V de amplitude e 1kHz de frequência.


amplificador não-inversor.

Analisando as formas de onda da tensão de saída (Figura 8) verifica-se que o ganho é

de 2 uma vez que a amplitude da tensão de entrada é de 1V e de saída é de 2V:

=

=

= 2



= 1 +

= 1 +

= 2


- 11 -

Figura 8 – Formas de onda da tensão de entrada (Vi) e de saída (V0) do amplificador não-

inversor com G=2 através do Multisim.



=

=

,

= 3,7



= 1 +

= 1 +

= 3,7


- 12 -

Figura 9 - Formas de onda da tensão de entrada (Vi) e de saída (V0) do amplificador não-

inversor com G = 3,7 através do Multisim.

4.3. VERIFICAÇÃO EXPERIMENTAL

Foi realizado a montagem tal como o circuito eléctrico da Figura 7 e registou-se as


Analisando o gráfico verifica-se que o ganho é:

=

=

,

,= 1,92


previsto teoricamente (G = 2) já calculado anteriormente.


- 13 -


(V0) retiradas experimentalmente (G=1,92)



=

=

,

= 3,64


previsto teoricamente (G = 3,7) já calculado anteriormente.


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(V0) com resistência R2 = 27k retiradas experimentalmente (G = 3,64)

5. SEGUIDOR DE TENSÃO

5.1. ESTUDO TEÓRICO

Pela análise da malha de entrada e de saída do circuito pode-se deduzir as seguintes

equações:

− + = 0

− + = 0

Colocando a entrada e saída em evidência, as equações irão ficar com a seguinte

expressão:

=

=

Pelo que o ganho da montagem será:

=

= 1


- 15 -

5.2. SIMULAÇÃO MULTISIM E VERIFICAÇÃO EXPERIMENTAL

Realizou-se a simulação eléctrica do circuito (Figura 12) utilizando uma onda

sinusoidal de 1V de amplitude e 1kHz de frequência.


seguidor de tensão

Analisando as formas de onda da tensão de saída (Figura 13) verifica-se que o ganho

é unitário uma vez que a amplitude da tensão de saída é igual à de entrada:

=

=

= 1


previsto teoricamente.


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Figura 13 – Formas de onda da tensão de entrada (Vi) e de saída (V0) do seguidor de tensão

através do Multisim.

Foi realizado a montagem tal como o circuito elétrico da Figura 7 e registou-se as


Analisando o gráfico verifica-se que o ganho é:

=

=

,= 1,02


previsto teoricamente (G = 1) já calculado anteriormente.


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(V0) retiradas experimentalmente

Aumentou-se o sinal de entrada para 1 MHZ de forma a se verificar o seu efeito.

Nesta simulação (Figura 15) consegue-se verificar o efeito de slow-rate devido a uma

limitação do AMPOP da sua taxa de variação máxima da tensão.

Quando se aplica um degrau na entrada, na prática a saída do AMPOP demora um

determinado intervalo de tempo, T, até chegar ao valor final. Desta forma verifica-se

uma tendência para a forma de onda ser triangular e um atraso da tensão de saída em

relação à de entrada.

O slow-rate encontrado é o seguinte:

=

=

1,02

0,17= 6/


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(V0) para uma frequência de 1MHz da tensão de entrada através do Multisim.

Verificou-se o mesmo experimentalmente aplicando uma frequência de 1,64MHz

(Figura 16 e Figura 17) pois foi quando melhor se começou a ver o efeito (máximo da

fonte geradora de sinal). Aqui consegue-se observar nitidamente o atraso da tensão de

saída em relação à de entrada, assim como uma tendência para a forma de onda ficar

triangular.

O slow-rate encontrado foi o seguinte:

=

=

1,96

0,296= 6,62/

O valor de slow-rate encontrado é muito próximo do encontrado na simulação

Multisim.


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(V0) retiradas experimentalmente para uma frequência de 1,64MHz da tensão de entrada


(V0) retiradas experimentalmente para uma frequência de 1,64MHz da tensão de entrada

Em seguida reduziu-se novamente a frequência da tensão de entrada para 1kHz e a

amplitude para 12V. Simulou-se no multisim e registou-se os resultados (Figura 18).


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(V0) para uma tensão de entrada de 12V com uma frequência de 1kHz através do Multisim.

Repetiu-se o mesmo experimentalmente para verificar o mesmo efeito (Figura 19).

Como o gerador de sinais não permite atingir os 12V, optou-se por reduzir a tensão de

alimentação do AMPOP para 9,2V e a tensão de entrada para cerca de 10V.

À semelhança dos resultados da simulação Multisim, observa-se o efeito da

saturação da tensão de saída do Ampop quando este se aproxima da tensão de

alimentação do Ampop. A forma de onda assemelha-se a uma onda quadrada.


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(V0) retiradas experimentalmente para uma frequência de 1,64MHz da tensão de entrada de 10V

e alimentação do Ampop com 9,2V


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6. CONCLUSÕES

Tal como previsto conseguiu-se comprovar que os ganhos calculados

matematicamente correspondem aos ganhos obtidos quer em simulação quer

experimentalmente. Isto para as diferentes montagens do Ampop (Inversor, Não-

Inversor e Seguidor de Tensão).

Verificou-se o efeito de Slew-Rate para uma frequência muito elevada (1MHz),

verificou-se também o efeito de entrada em saturação da tensão de saída quando a

tensão de entrada se aproxima da tensão de alimentação do AMPOP, ou quando é

superior a esta. Para ultrapassar esta situação, e caso seja mesmo necessário, poderá

usar-se um Ampop do tipo Rail-to-Rail que permite termos na saída uma tensão muito

próxima da tensão de alimentação do Ampop (+/- VDD). Todos estes efeitos são uma

limitação do Amplificador Operacional e que deve ser tomado em conta aquando na

elaboração de um projecto de Sistemas de Aquisição e Processamento de Sinais.

Pôde-se ainda constatar que o programa de simulação Multisim nos seus resultados

muitas semelhanças aos resultados experimentais o que revela uma elevada

confiabilidade no que diz respeito à modulação do sistema físico.


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7. BIBLIOGRAFIA

[1] MARTINS, Jorge. Introdução aos Sistemas de Aquisição e Processamento de Sinais.

ESTSetúbal. 2013. 6ª Edição.

[2] MARTINS, Jorge. Guia de Laboratório - Trabalho de Laboratório nº 1: Estudo de

Circuitos com Amplificadores Operacionais: Amplificador Inversor, Amplificador

Não-inversor e Seguidor de Tensão. 2013. 2º Edição.

[3] Catálogo do circuito integrado TL071, site da empresa STMicroelectronics,

consultado em Março de 2013. Link: “http://www.st.com/web/catalog/ ...”

“… sense_power/FM123/SC61/SS1378/PF65354”.

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