FACULDADE DE TECNOLOGIA E CINCIAS CURSO DE ENGENHARIA MECATRNICA

AMPLIFICADORES OPERACIONAIS DE INSTRUMENTAO

SALVADOR 2013

FACULDADE DE TECNOLOGIA E CINCIAS CURSO DE ENGENHARIA MECATRNICA

AMPLIFICADORES OPERACIONAIS DE INSTRUMENTAO

MATRIA: INSTRUMENTAO MECATRNICA DICENTE: JOS MARCELO DOCENTES: JHONATAN FILIPPE ALVES MACEDO PEREIRA TIAGO DA LUZ RIBEIRORelatrio tcnico apresentado na matria Instrumentao Mecatrnica no curso de graduao em Engenharia Mecatrnica da Faculdade de Tecnologia e Cincia no semestre de 2013.1 ao professor Jos Marcelo, para a obteno de nota e aprovao na matria de Instrumentao Mecatrnica.

SALVADOR 2013

INSTRUMENTAO MECATRNICA

AMPLIFICADORES OPERACIONAIS DE INSTRUMENTAO

Treinamento difcil, combate fcil. (Ditado Popular)

SALVADOR 2013

RESUMO A seguir ser abordado em um relatrio tcnico sobre um componente tecnolgico de fundamental importncia para a vida do homem moderno. Trata-se de um circuito eletrnico arquiteturizado para que com uma pequena quantidade de energia possa controlar uma quantidade maior, e so empregados na amplificao de pulsos eltricos, limpeza de sinais eltricos, filtros de sinais eltricos, seletor de sinais eltricos e chamado de amplificador operacional (AOP), veremos tambm seu histrico cronolgico, seus fundamentos, seus tipos, suas caractersticas gerais, suas aplicaes e suas limitaes. O componente eletrnico fundamental que tornou possvel a sua construo eletrnica foi o transistor, que permite ao circuito interno do AOP as operaes com, soma, subtrao, diviso, multiplicao, exponenciao, radiciao, integrao, diferenciao e derivao de valores representados em corrente (I), tenso (V) ou frequncia(f). Palavras-chave: Amplificadores, Amplificadores Operacionais, AOP, Amplificadores de Instrumentao.

ABSTRACT

The following will be addressed in a technical report about a technological component of fundamental importance for the life of modern man. It is an electronic circuit that arquiteturizado with a small amount of energy to control a larger amount, and are employed in the amplification of electrical pulses, cleaning of electrical filters, electrical signals and electrical signals selector is called amplifier operating (AOP), we will also see its chronological history, its foundations, its types, its general characteristics, its applications and limitations. The fundamental electronic component that enabled its construction was the electron transistor, which allows the internal circuitry of the AOP operations, addition, subtraction, division, multiplication, exponentiation, root extraction, integration, differentiation and derivation of values represented in current (I), intensity (V) or frequency (f). Keywords: Amplifiers, Operational Amplifiers, AOP, Instrumentation Amplifiers.

SUMRIO 1 2 2.1 2.2 2.3 3 3.1 3.2 4 5 5.1 5.2 5.4 5.5 6 6.1 7 7.1 INTRODUO HISTRICO PRIMEIROS AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES SIMPLES AMPLIFICADORES MODERNOS FUNDAMENTOS SIMBOLOGIA AMPLIFICADORES IDEAIS CIRQUITOS INTERNOS APLICAES NO INVERSOR INVERSOR SOMADOR DIFERENA COMPORTAMENTO EM CORRENTE CONTNUA LIMITAES COMPORTAMENTO EM CORRENTE ALTERNADA LIMITAES REFERNCIAS 8 9 11 12 13 14 15 17 18 20 20 21 23 24 25 25 26 26 28

FIGURAS

FIGURA 1 FIGURA 2 FIGURA 3 FIGURA 4 FIGURA 5 FIGURA 6 FIGURA 7 FIGURA 8 FIGURA 9 FIGURA 10 FIGURA 11 FIGURA 12 FIGURA 13 FIGURA 14

Amplificador Operacional e encapsulamento bsico Computador valvulado, MISTC, 1950 Amplificador valvulado Amplificador 741 com encapsulamento metlico Esquema eltrico de um amplificador operacional Representao dos amplificadores Diagrama eltrico do Amplificador Operacional 741 Diagrama eltrico do Amplificador Operacional LF357MX Diagrama eltrico do Amplificador Operacional 210 Diagrama eltrico do amplificador inversor Diagrama eltrico do amplificador no inversor Diagrama eltrico do amplificador seguidor ou buffer Diagrama eltrico do amplificador somador Diagrama eltrico do amplificador de diferena

8 9 11 12 14 15 18 18 19 20 21 22 23 24

8

1

INTRODUO Este material visa fornecer conhecimentos bsicos para a utilizao dos

amplificadores operacionais. Veremos vrios circuitos onde sero abordadas todas as suas particularidades e sero mostradas formulas prticas para o rpido projeto desses circuitos. Segundo Boton, William (Mecatrnica: Uma abordagem multidisciplinar, 2010) Um Amplificador Operacional pode ser considerado essencialmente um sistema que tem uma entrada e uma sada (FIGURA 1), e seu ganho de tenso a razo entre as tenses de entrada e sada quando elas so medidas com relao ao terra (GND)... mais na frente teremos uma abordagem mais detalhada.

FIGURA 1: Amplificadores Operacionais e encapsulamento bsico. FONTE: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1806-11172005000200005

9

2

HISTRICO

Os Amplificadores Operacionais (AOP) surgiu na necessidade de calcular operaes matemticas (soma, subtrao, multiplicao, diviso, integrao, comparao,...) com computadores analgicos e se desenvolveu conforme os computadores e a tecnologia . Os primeiros AOPs foram desenvolvidos na dcada de 40 atravs de vlvulas, as caractersticas destes primitivos AOPs eram bastante ruins. Com o surgimento do transistor na dcada de 50 foi possvel evoluir o AOP com caractersticas bastante razoveis. Porm foi quando na dcada de 60 com o surgimento dos circuitos integrados.

FIGURA 2: Computador valvulado, MISTC, 1950. FONTE: http://hypescience.com/como-uma-crianca-de-10-anos-se-perdeu-dentro-de-um-computador/

10

TABELA DE COMERCIALIZAO CRONOLOGIA DOS AMPLIFICADORES OPERACIONAIS.

ANO 1964 1964 1965 1968 1968 *

FABRICANTE FAIRCHILD NATIONAL SEMICONDUCTOR FAIRCHILD FAIRCHILD NATIONAL SEMICONDUCTOR FAIRCHILD, NATIONAL SEMICONDUCTOR VARIOS FABRICANTES *** VARIOS FABRICANTES *** RCA

SERIE 702 e 704 101 709 E 715B 714 301

TIPO AMPLIFICADORES VLVULADOS AMPLIFICADORES VLVULADOS AMPLIFICADORES VLVULADOS AMPLIFICADORES VLVULADOS AMPLIFICADORES VLVULADOS TRANSISTORES BIPOLARES TRANSISTORES FET TRANSISTORES MOSFET

~1972

741 **

~1980 ~1990 ~1995

3020 e 3030

TRANSITORES BI-FET

(*) (**) (***)

Fim da produo dos AOPs valvulados e retrofit para a tecnologia transistorizada. A verso 741 talvez a mais conhecida e a mais fabricada at os dias de hoje. FAIRCHILD, NATIONAL SEMICONDUCTOR, SIMENS, RCA, ETC

11

2.1

PRIMEIROS AMPLIFICADORES Segundo o Prof. Pedro Donoso Garcia (Guia de Aula Pratica de Eletrnica I,

1999) George Philbrick foi uma das pessoas incumbidas do desenvolvimento e popularizao do AOP. Ele trabalhou na Huntington Engineering Labs, e naquela poca na sua prpria empresa Philbrick Associates. Em 1948 foi apresentado um amplificador operacional implementado por vlvula. Com este componente, foram implementados os primeiros computadores analgicos. A palavra operacional em amplificadores operacionais, que nesta poca foi destinado a realizar operaes matemticas.

FIGURA 3: Amplificador valvulado FONTE: http://img2.mlstatic.com/valvula-eletronica-radio-antigo-amplificador-e-pecas-novas_MLB-O82107815_3085.jpg

12

2.2

AMPLIFICADORES SIMPLES O Prof. Pedro Donoso Garcia (Guia de Aula Pratica de Eletrnica I, 1999) fala

ainda que ... a prpria FAIRCHILD, com apoio de Robert Widlar e sua equipe lanou em 1965 o conhecido a709. Este ltimo foi considerado o primeiro AOP confivel lanado no mercado. A seguir a mesma equipe projetou o famoso A741, o qual foi lanado pela FAIRCHILD em 1968 e at hoje estes dois AOPs ocupam posio de destaque no segmento. Utilizando circuitos integrados com base AOPs os computadores digitais substituram os analgicos, pois so mais rpidos, mais precisos e mais versteis. Estes circuitos revolucionaram certas reas da eletrnica devido ao pequeno tamanho e baixo custo, reduzindo drasticamente o circuito interno do AOP. Projetos com AOP levam muito pouco tempo para sua realizao. Funo que podem se

13

construdos

com

um

ou

mais

AOP

e

outros

poucos

componentes.

IMAGEM 4: Amplificador operacional 741 com encapsulamento metlico. FONTE: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:741_op-amp_in_TO-5_metal_can_package_close-up.jpg

14

2.3

AMPLIFICADORES MODERNOS Evidentemente como os avanos tecnolgicos no param, hoje temos

diversos tipos de AOPs com caractersticas superiores s do A709 e A741, por exemplo, LF351(NATIONAL) e CA3140 (RCA) etc. A configurao bsica dos AOPs foi re-projetada com o objetivo de otimizlos ou de acrescentar certas qualidades. Como: Capacidade para alta corrente ou alta tenso; Mdulos transmissores e receptores; Amplificadores multiplexados; Amplificadores de ganho programvel; Instrumentao e controle automotivo; C.I. para comunicao; C.I. para rdio-udio-vdeo; Para acontecer os avanos nos amplificadores operacionais foram realizados algumas alteraes em relao tecnologia de fabricao: No circuito de entrada: foram substitudos os transistores bipolares por transistores de efeito de campo, com isto a impedncia de entrada foi aumentada para faixa de centena de mega ohms (M), so rpidos e tem larga faixa de passagem de resposta. No circuito de sada: foram substitudos os transistores bipolares por transistores MOS. Essa alterao nos amplificadores operacionais permite operar em altssimas frequncias. Outro avano foi fabricao dos amplificadores operacionais duplos e qudruplos. Propostas de novos amplificadores operacionais estaro sendo feitas ainda por um longo tempo, com isto poderemos antever o desenvolvimento dos mais complexos circuitos integrados.

15

16

3

Fundamentos

O AOP um componente eletrnico compacto construdo da juno de resistores capacitores e transistores. Conforme se pode observar na figura abaixo, existem trs estgios em sua montagem: um estgio de entrada, um segundo estgio e um estgio de sada.

FIGURA 1: Esquema eltrico de um amplificador operacional FONTE: http://www.floriano.ifpi.edu.br/~walber/Amplificador%20Operacional.pdf

Primeiro estgio (imput stage) Normalmente tem a funo de comparar as tenses aplicadas, pode ou no amplificar e gera um sinal de corrente proporcional diferena entre as mesmas (Lout1). Este sinal pode solicitar ou fornecer corrente eltrica para o prximo estgio. Segundo estgio (second stage) O sinal ser amplificado quantas vezes forem necessrias, e pode ou no efetuar correes de desvios de frequncia que possam vir a ocorrer no processo de comparao e ganho.

17

Estgio de sada (output stage) Este estgio possui dois transistores, os quais atuam como fonte de corrente (sourcing) ou como consumidor de corrente (sinking). A corrente na sada pode entrar ou sair do AOP. -Vee e +Vcc importante observar que existem duas tenses de alimentao (Vee e +Vcc), as quais devem ser simtricas e (em geral) operam com +/- 15 V.

3.1

SIMBOLOGIA

Sua representao grfica dada pela figura abaixo:

FIGURA 6: Representao dos amplificadores FONTE: http://pt.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional

Os seus terminais so:

V+: entrada no-inversora V: entrada inversora Vout: sada VS+: alimentao positiva VS: alimentao negativa

Os pinos de alimentao (VS+ e VS) podem ser nomeados de diferentes formas. Para AOP baseados em tecnologia FET, o VS+ comum ser chamado de VDD e o VS comum ser chamado de VSS. Para AOP baseados em TJB (BJT), o pino VS+ tornase VCC e o pino VS torna-se VEE. Eles so muitas vezes chamados V CC+ e VCC, ou

18

mesmo V+ e V, no caso de as entradas serem nomeadas diferentemente, a funo permanecer a mesma. Muitas vezes estes pinos so retirados dos esquemas eltricos para uma maior clareza, e a configurao de alimentao dada ou previsvel atravs do circuito. A posio dos pinos de polaridade pode ser invertida em diagramas para uma maior clareza. Neste caso, os pinos de alimentao continuaram na mesma posio: o pino de alimentao mais positivo sempre no topo, e o pino de alimentao mais negativo na parte inferior. O smbolo inteiro no invertido, apenas as suas entradas de alimentao. O nome especifico de um Amplificador Operacional divido em 3 partes: Prefixo, Identificador e sufixo.

Dgitos do prefixo: Normalmente representada por duas letras que representa o fabricante. AD LM CA MC NE / SE OP RC/RM SG TL UA Anolog Devices National Semicondutor Corp. RCA Motorola Signetcs Precision Monolithics Raytheon Silicon General Texas Instruments Fairchild

Dgitos do identificador: Possui de 3 a 7 dgitos que identifica o tipo de Amplificador Operacional e a faixa de temperatura que operam.

19

Os cdigos da faixa de temperatura so: C I M Comercial Industrial Militar 0 a 70C -12 a 85C -55 a 125C

Digito do sufixo: Identifica o material que hospeda o chip e os materiais possveis so: D J N, P Plstico DIP em superfcie Cermico DIP Plstico DIP em circuito impresso

3.2

AMPLIFICADORES IDEAIS

O amplificador operacional ideal tem um ganho infinito em malha aberta, largura de banda infinita, impedncia de entrada infinita, impedncia de sada nula e nenhum rudo, assim como offset de entrada zero (exatamente 0 V na sada quando as duas entradas forem exatamente iguais) e nenhuma interferncia trmica.

1. Resistncia de entrada infinita; 2. Resistncia de sada nula; 3. Ganho de tenso infinito; 4. Resposta de frequncia infinita; 5. Insensibilidade temperatura.

20

4 CIRCUITOS INTERNOS

FIGURA 7: Diagrama eltrico do Amplificador Operacional 741 FONTE: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:OpAmpTransistorLevel_Colored_Labeled.svg

FIGURA 8: Diagrama eltrico do Amplificador Operacional LF357MX FONTE: https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images? q=tbn:ANd9GcRZl1C7yL_dfGePmauNlPmBWxl_LtfxmWdKSeTFmU26gEv5St6K-g

21

FIGURA 9: Diagrama eltrico do Amplificador Operacional 210 FONTE: http://1.bp.blogspot.com/ciMtI4ptC_M/UOLjHv7O09I/AAAAAAAAC38/1VrtkRWnebA/s1600/symmetric02.png

22

5

APLICAES De acordo com o avano tecnolgico o nome operacional foi anexado ao

nome devido a sua versatilidade em implementaes antes complexas e nos mais variados projetos.

5.1

AMPLIFICADOR INVERSOR

O circuito chamado de amplificador inversor, pois a tenso de sada (Vs) esta defasada de 180 em relao entrada (Ve).

FIGURA 6: Diagrama eltrico do amplificador inversor FONTE: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/matematica-para-eletronica/4653-formulas-paraamplificadores-operacionais-m251.html

Entre os componentes temos o gerador de sinais Ve que est alimentando o circuito. Temos um amplificador operacional com um ganho qualquer e demais caractersticas que a princpio podemos considerar ideais. A sada Vo do dispositivo a prpria sada do circuito representada por Vout. Temos ainda dois resistores R1 e RF (R1 est ligando eletricamente o sinal de entrada com a entrada inversora). O resistor RF est fornecendo um caminho eltrico entre a sada e a entrada inversora do amplificador operacional.

23

Segundo Bolton, Willian (Mecatrnica: Uma abordagem multidisciplinar, 2010) este circuito tem as seguintes equao:

Esta expresso utilizada para determinar o ganho do amplificador inversor, o mesmo possui este nome devido ao sinal negativo na frente de RF/R1. Sabe-se que um sinal negativo corresponde a um espelhamento em relao ao eixo x.

5.2

AMPLIFICADOR NO-INVERSOR O amplificador no inversor, como o nome diz, um amplificador no qual a

tenso de sada (Vo) est em fase com a tenso de entrada (Ve).

FIGURA 7: Diagrama eltrico do amplificador no-inversor FONTE: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/matematica-para-eletronica/4653-formulas-paraamplificadores-operacionais-m251.html

24

Entre os componentes temos o gerador de sinais Ve que est alimentando o circuito diretamente na entrada no inversora. Temos um amplificador operacional com um ganho qualquer e demais caractersticas que a princpio podemos considerar ideais. A sada Vo do dispositivo a prpria sada do circuito representada por Vout. Temos ainda dois resistores R1 e RF, onde RF est ligando eletricamente o sinal de sada com a entrada inversora e o resistor R1 est fornecendo um caminho eltrico entre o terra e a entrada inversora do amplificador operacional. Segundo Bolton, Willian (Mecatrnica: Uma abordagem multidisciplinar, 2010) este circuito tem as seguintes equao:

Esta expresso utilizada para determinar o ganho do amplificador no inversor. Uma aplicao muito til desse amplificador quando RF = 0, isso faz com que a resistncia de sada seja quase 0. Esse AOP chamado de Seguidor de tenso ou Buffer.

FIGURA 8: Diagrama eltrico do amplificador seguidor ou buffer FONTE: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/matematica-para-eletronica/4653-formulas-paraamplificadores-operacionais-m251.html

25

5.3

AMPLIFICADOR SOMADOR

O amplificador somador tem a finalidade de somar dois ou mais valores de entradas analgicas ou digitais em tempo real. grande mente empregado em misturadores de sinal.

FIGURA 9: Diagrama eltrico do amplificador somador FONTE: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/matematica-para-eletronica/4653-formulas-paraamplificadores-operacionais-m251.html

Segundo Bolton, Willian (Mecatrnica: Uma abordagem multidisciplinar, 2010) este circuito tem a seguinte equao:

26

5.4

AMPLIFICADOR DE DIFERENA O AOP subrtator tem a finalidade de amplificar a diferena de tenses entre

as entradas.

FIGURA 10: Diagrama eltrico do amplificador de diferena FONTE: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/matematica-para-eletronica/4653-formulas-paraamplificadores-operacionais-m251.html

Segundo Bolton, Willian (Mecatrnica: Uma abordagem multidisciplinar, 2010) este circuito tem a seguinte equao:

27

6

COMPORTAMENTO EM CORRENTE CONTINUA O ganho em malha aberta definido como a amplificao da entrada direto

para a sada sem nenhuma realimentao aplicada. Para a maioria dos clculos prticos, o ganho em malha aberta definido como infinito. 6.1 LIMITAES

Na realidade ele limitado pela quantidade de tenso aplicada alimentao do amplificador operacional. Os dispositivos tpicos possuem um ganho de malha aberta em Corrente Contnua entre 100,000 e 1 milho de vezes. Os AOPs possuem limites de desempenho que o usurio deve manter em mente e muitas vezes trabalhar em torno disto, assim como o modo como estas afetam o projeto dos circuitos. H melhor maneira de voc poder vencer as limitaes fsicas conhecendoa e se possvel ficando o suficiente longe dela. Ganho finito - este efeito mais evidente quando se tenta atingir um ganho prximo ao ganho mximo do AOP. Impedncia de entrada finita - isto limita superiormente as resistncias no circuito de realimentao. Impedncia de sada maior que zero - importante para cargas de baixa resistncia. Exceto para sadas de baixa voltagem, as consideraes com consumo geralmente so mais importantes. corrente de entrada - uma pequena quantia de corrente fluindo nos pinos de entrada necessria para o funcionamento apropriado. Este efeito agravado pelo fato de a corrente se levemente diferente entre os pinos de entrada. Este efeito geralmente s significativo para circuito de potncia muito baixa.

28

Tenso de offset de entrada - o AOP ir produzir uma pequena tenso de sada mesmo que os pinos de entrada estejam com exatamente a mesma voltagem. Para circuitos que necessitam de uma operao precisa em corrente contnua, este efeito deve ser compensado. A maioria dos AOP's comerciais dispe de um pino de offset para este propsito 7 COMPORTAMENTO EM CORRENTE ALTERNADA O ganho do AOP calculado em CC no se aplica a corrente alternada a frequncias mais altas. Os AOPs tpicos, de baixo custo, possuem uma largura de banda de alguns MHz. Enquanto os AOPs especficos e de alta velocidade podem atingir uma largura de banda de centenas de MHz sem mudana nos clculos. Tais valores so expresso no manual (datasheet) do AOP. 7.1 LIMITAES Isto ocorre devido s limitaes do componente, tais como sua largura de banda finita, e s caractersticas em CA do circuito ao qual colocado. O problema mais bem conhecido no desenvolvimento de projetos e a tendncia de estes em ressonarem quando imposto a altas frequncias, em que ocorrem mudanas na passagem da realimentao negativa para realimentao positiva devido mudana de fase. Para circuitos de frequncia muito alta, um tipo completamente diferente de AOP, chamado amplificador operacional de realimentao de corrente frequentemente usado. Assim como todos os itens da CC, a CA soma os itens que se refere aos limites de frequncia. Largura de banda Finita - todos os amplificadores possuem uma largura de banda finita. Entretanto isto mais evidente nos AOPs, possuem sistemas de anti-realimentao positiva.

29

Capacitncia de entrada - o mais importante para a operao em alta frequncia. Imperfeies no-lineares: Saturao - a tenso de sada limitada a um valor de um pouco menor do que o valor da alimentao. Taxa de renovao - a taxa de mudana da tenso de sada limitada. Consideraes em potncia: Potncia eltrica limitada - se uma sada com um alto valor de potncia desejada, deve-se utilizar um AOP especfico. A maioria so desenvolvidos para operaes de baixa potncia e so tipicamente capazes de alimentar cargas de resistncia com o valor mnimo de 2 kilohms.

30

REFERNCIAS http://pt.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional http://www.ebah.com.br/content/ABAAAezPEAD/amplificador-operacional Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos, Teoria, Projetos, Aplicaes e Laboratrio, Antonio Pertence Jnior http://www.cpdee.ufmg.br/~elt/docs/elt1/ampoprev.pdf http://www2.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/3--amplificadores-operacionais-v2.0.pdf William Bonton, Livro:Mecatrnica: Uma abordagem multidisciplinar, 2010 http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S180611172005000200005 ftp://ftp.unilins.edu.br/marcello/CONTROLE%20MD%204%20ANO %202013/SEG%20SEMESTRE/PID%20AMP%20OP/AMP%20OP/Amp %20Op%20II%20(informa%E7%F5es%20compelmentares).pdf http://www.cpdee.ufmg.br/~elt/docs/elt1/ampoprev.pdfee.ufmg.br/~elt/doc s/elt1/ampoprev.pdf

http://www.floriano.ifpi.edu.br/~walber/Amplificador%20Operacional.pdf http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/matematica-para-eletronica/4653formulas-para-amplificadores-operacionais-m251.html http://www.camacho.eng.br/Amp%20Ops.htm