Amplificador Operacional
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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