Resumo• O Amplificador Operacional 741

• Circuito de Polarização e circuito de protecção contra

curto-circuito

• O andar de Entrada• O Segundo andar e andar de Saída

• Polarização do 741

• Análise de pequeno sinal do 741

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O Amplificador Operacional 741

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Circuito de Polarização

Circuito de PolarizaçãoIREF é gerada por os dois transístoresQ11 eQ12 ligados como díodos e a

resistênciaR5.

O espelho de corrente Widlar, formado porQ11, Q10 e R4, gera a corrente de

polarização para o espelho de corrente formado porQ8 e Q9.

IREF é usado para gerar duas correntes proporcionais no colectorQ13. Este

transístor lateralpnppode ser pensado como dois transístores cuja junções

base-emissor são ligados em paralelo. O colector deQ13B faz a polarização de

Q17 e Q13A faz a polarização do andar de saída.

Q18 e Q19 servem para estabelecer a queda de tensão de duas vezesVBE nas

junções base-emissor em série, nos transístores de saídaQ14 eQ20

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Circuito de protecção contra curto-circuito

Circuito de Protecção contra curto-circuitoExistem no 741 diversos transístores que estão normalmenteao corte e apenas

conduzem quando se tenta que o Amplificador Operacional forneça uma

corrente demasiado elevada. to está normalmente

O componentes que implementam este circuito de protecção são R6, R7, Q15,

Q21, Q24, R11, eQ22.

Na restante análise estes transístores são considerados como estando ao corte.

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O andar de EntradaO circuito do 741 consiste em três andares: um andar diferencial de entrada,

um andar intermédio de saída única de alto ganho e uma andar desaída de

ganho em corrente.

O andar de entrada consiste nos transístoresQ1 a Q7 com a polarização feita

porQ8, Q9 eQ10.

Os transístoresQ1 e Q2 são seguidores de emissor que entregam o sinal a

transístores em base comumQ3 eQ4. Isto é uma configuração diferencial

Colector-Comum, Base-Comum.

Os transístoresQ5, Q6 eQ7 e resistênciasR1, R2 eR3 são o circuito de carga

do circuito de entrada. Este é um circuito de espelho de corrente elaborado

que será analisado posteriormente. Este circuito de carga não só providencia

uma carga activa como transforma o sinal diferencial em saída única sem

perda de ganho ou rejeição em modo comum.

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O andar de EntradaCada Amplificador Operacional tem um conversor de nível de tensão cujo

objectivo é colocar a tensão DC num nível apropriado de formaque a saída do

amplificador operacional possa ter excursões positivas e negativas. Neste

Amplificador Operacional isto é feito no primeiro andar através dos

transístores lateraispnp Q3 e Q4. Apesar dos transístores lateraispnp terem

fraca resposta em frequência a sua utilização não afecta demasiado o

funcionamento do 741.

O uso de transístores lateraispnp Q3 e Q4 dá protecção contra a ruptura da

junção Emissor-Base inversamente polarizada que nestes transístores é cerca

50V contra 7V nosnpn. (prevenir, por exemplo, contra o facto da alimentação

ser ligada aos terminais de entrada).

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O segundo andar

Segundo andarCompostoQ16, Q17 eQ13B e as resistênciasR8 eR9.

Q16 seguidor de emissor. Grande resistência de entrada. Isto minimiza a carga

sobre o primeiro andar e evita a perda de ganho.

O transístorQ17 é um emissor comum com resistência de emissor de 100Ω. A

sua carga é composta pela fonte de corrente formada pelo transístorQ13B em

paralelo com a resistência de entrada do andar de saída. Utilizando uma fonte

de corrente como resistência de carga permite obter grandesganhos sem o uso

de resistências reais de carga que ocupariam grandes áreas de circuito

integrado.

O condensadorCC está ligado em realimentação e sofre pelo o efeito de Miller

uma reflexão na entrada sendo a capacidade amplificada criando um pólo na

resposta do circuito (neste circuito por volta de 4Hz). A área ocupada por este

condensador é 13 vezes a área dum transístornpn.

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Andar de SaídaAndar de SaídaAndar em Classe AB. Já estudado anteriormente.

O andar de saída do 741 consiste num par complementarQ14 e Q20. Os

transístoresQ18 eQ19 são alimentados pela fonte de corrente formada por

Q13A e polarizam os transístores de saídaQ14 e Q20, garantindo o

funcionamento em classe AB.

O transístorQ23 actua como um seguidor de emissor minimizando o efeito de

carga do andar de saída no segundo andar

Parâmetros dos transístornpn, IS = 10−14A, β = 200,VA = 125V

pnp, IS = 10−14A, β = 50,VA = 50V

TransístoresQ13A eQ13B respectivamente

ISA= 0.25x10−14A, ISA= 0.75x10−14A

Os Transístores de Saída têm áreas de junção Emissor-Base três vezes maiores

que o transístor standard.

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Polarização do 741

Corrente de Polarização de ReferênciaIREF = VCC−VEB12−VBE11−(−VEE)

R5

SendoVCC = VEE = 15V,

VBE11 = VEB12 ' 0.7V entãoIREF = 0.73mA.

Polarização do andar de entradaFonte de corrente Widlar

VT ln IREFIC10

= IC10R4

IC10 = 19µA

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Polarização do 741

Polarização do andar de entradaPor questões

de simetriaIC1 = IC2. Considerando

IC1 = I e β elevado, para os transístores

npntemos queIE3 = IE4 ' I . As

correntes de base deQ3 eQ4 são iguais

com um valor deI/(βP +1) ' I/βP

em queβP é oβ dos transístorespnp.

EntãoIC9 = 2I1+2/βP

SeβP 1 então

2I ' IC10

Para o 741,IC10 = 19µAe entãoI ' 9.5µA

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Polarização do 741

Polarização do andar de entradaOs transístoresQ1

atéQ4, Q8 eQ9 formam uma malha de

realimentação negativa que estabiliza o

valor deI em aproximadamenteIC10/2.

Considere então queI aumenta em

Q1 e Q2. Aumentará a corrente emQ8 e

o mesmo acontecerá emQ9. Mas como

IC10 permanece constante as correntes

de base deQ3 e Q4 tem que diminuir

fazendo diminuir as correntes de emissor dos mesmos. Logo a correnteI

também diminui o que contraria o efeito inicial do aumento deI .

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Polarização do 741

Polarização do andar de entradaDesprezando a corrente de base

deQ16 entãoIC6 ' I . Desprezando a

corrente de base deQ7 obtemosIC5 ' I .

A corrente de polarização

deQ7 pode ser determinada por

IC7 ' IE7 = 2IβN

+ VBE6+IR2R3

em queβN é oβ dos transístoresnpn.

Para calcularVBE6 usamos a relação

exponencial do transístor

VBE6 = VT ln IIS

SubstituindoIS = 10−14A e I = 9.5µA resulta emVBE6 = 517mV e

IC7 = 10.5µA

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Polarização do 741

Corrente de Polarização de entrada no Amplificador OperacionalIB = IB1+IB2

2 = IβN

ParaβN = 200 temos queIB = 47.5nA. Valor típico dum amplificador

operacional com entrada de transístores. No caso de entradapor FET este

valor é da ordem de picoamperes ou fentaamperes.

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Polarização do 741

Polarização do segundo estágioSe desprezarmos a corrente de base deQ23 vemos que a corrente de colector

deQ17 é aproximadamente igual à corrente fornecida porQ13B. Uma vez que

Q13B tem uma corrente de escala 0.75 vezes a deQ12 temos que

IC13B ' 0.75IREF em que se assumeβP 1. EntãoIC13B = 550µAe

IC17 ' 550µA.

A tensão base-emissor deQ17 será

VBE17 = VT ln IC17IS

= 618mV

A corrente de colector deQ16 pode ser determinada de

IC16 ' IE16 = IB17+ IE17R8+VBE17R9

Obtém-seIC16 = 16.2µA. Deve notar-se que a corrente de base deQ16 será

desprezável quando comparada com a corrente de polarizaçãoI .

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Polarização do 741

Polarização do Andar de SaídaA figura mostra o andar de saída

com o circuito de protecção de curto

circuito omitido. A fonte de corrente

Q13A fornece a corrente de 0.25IREF ao

circuito composto porQ18, Q19 eR10.

Se desprezarmos as correntes de base de

Q14 eQ20 então a corrente de emissor

deQ23 será também igual a 0.25IREF

IC23 ' IE23 ' 0.25IREF = 180µA

A corrente de base deQ23 é só

180/50= 3.6µAque é desprezável comparado comIC17.

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Polarização do 741

Polarização do Andar de SaídaSeVBE18 é aproximadamente 0.6V a corrente emR10 é 15µA.

Temos então que

IC18 = IE18 = 180−15= 165µA

Com este valor de corrente temos queVBE18 = 588mV (através da formula

exponencial do transístor) que é próximo do valor assumido de 0.6V. A

corrente de base deQ18 é 165/200= 0.8µAque pode ser somada à corrente

emR10 para determinar a corrente emQ19 comoIC19 ' IE19 = 15.8µA. A

queda de tensão na junção base emissor deQ19 será

VBE19 = VT ln IC19IS

= 530mV

A tensãoVCE18 que é igual

VCE18 = VBB = VBE18+VBE19 = VBE14+VEB20 = 588+530= 1.118V

Podemos calcular a corrente de colector emQ14 eQ20 sabendo que

VBB = VT ln IC14IS14

+VT ln IC20IS20

Atendendo queIS14 = IS20 = 3x10−14A as correntes de colector serão

IC14 = IC20 = 154µA– p. 16/29

Análise para pequenos sinais do 741

Andar Diferencial de EntradaAtendendo

a que os colectores deQ1 e Q2 estão

ligados a uma tensão DC constante são

mostrados na figura ligados à massa.

A polarização de corrente constante

das bases deQ3 e Q4 é equivalente

para sinal às duas bases comuns

não estando ligadas a nenhum ponto.

O sinal diferencialvi aplicado entre os terminais de entrada aparece através

das quatro resistências de emissor de cada um dos transístores deQ1, Q2, Q3 e

Q4. A corrente correspondente será

ie = vi4re

(1) re = VTI = 25mV

9.5µA = 2.63KΩA resistência diferencial de entrada será

Rid = 4(βN +1) re = 2.1MΩconsiderandoβN = 200.

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Análise para pequenos sinais do 741

AndarDiferencial de EntradaTranscondutânciaDesprezando a corrente

de sinal na base deQ7 a

corrente de sinal no colector

deQ5 é aproximadamente

igual à correnteαie.

FormandoQ5, Q6 e Q7 um

espelho aproximadamente simétrico a corrente emQ6 é tambémαie. Então a

corrente de saídaio é

io = 2αie (1)

De (1) e (1) do acetato anterior a transcondutância será

Gm1 = iovi

= α2re

= 1/5.26mA/V

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Análise para pequenos sinais do 741

Andar Diferencial de EntradaResistência de SaídaA resistência de saídaRo1 é o paralelo da

resistência de saída vista para dentro deQ4

e a resistência de saída deQ6. Considera-se

que as bases comuns deQ3 eQ4

estão numa terra virtual (considerando que

o sinal de entrada é aplicado numa forma

complementar). Apesar de isto constituir

uma aproximação o erro cometido não é significativo. As figuras (a) e (b)

mostram como calcular estas resistências de saída.ro = VA/I

Ro4 = ro [1+gm(re ‖ rπ)] = 10.5MΩRo6 = ro [1+gm(R2 ‖ rπ)] = 18.2MΩRo1 = Ro4 ‖ Ro6 = 6.7MΩ

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Análise para pequenos sinais do 741

Andar Diferencial de EntradaCircuito equivalente para sinalO circuito equivalente

será utilizado para calcular

o ganho total do circuito.

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Análise para pequenos sinais do 741

Segundo andarResistência de EntradaPor inspecção do circuito da esquerda

Ri2 =

(β16+1) [re16+R9 ‖ ((β17+1)(re17+R8)) ‖ ro16]

4MΩ

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Análise para pequenos sinais do 741

Segundo andarResistência de SaídaRo2 é obtido da

seguinte forma:Ro2 = (Ro13B ‖ Ro17),

Ro13B = ro13B = 90.9KΩConsiderando

a resistência da base deQ17

à massa (figura da direita) é pequena

Ro17 ' r017[1+gm(R8 ‖ rπ17)] = 787KΩRo2 = (Ro13B ‖ Ro17) ' 81KΩ

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Análise para pequenos sinais do 741

Segundo EstágioTranscondutânciaDo circuito equivalente do segundo andar (figura da esquerda) a

transcondutânciaGm2 é a razão da corrente em curto-circuito para a tensão de

entrada. Curto-Circuitando o terminal de saída à massa faz com que a corrente

de sinal na resistência de saída deQ13B seja nula. A corrente em curto-circuito

será igual à corrente de sinal do colector deQ17 (ic17). Podemos encontrar as

seguintes relações

ic17 = αvb17re17+R8

vb17 = vi2(R9‖Ri17)

(R9‖Ri17)+re16Ri17 = (β17+1)(re17+R8)

Podemos combinar estas três equações para obtermos

Gm2 = ic17vi2

' 6.5mA/V

O circuito da direita apresenta outro circuito equivalentede sinal ao segundo

andar.– p. 23/29

Análise para pequenos sinais do 741

Andar de SaídaResistência de EntradaVemos na figura

o circuito equivalente de

sinal do andar de saída em que está também representada a resistência de

cargaRL e a resistência de saída do segundo estágio. A resistênciaRin3 é a

resistência de entrada do andar de saída considerando o amplificador com uma

carga deRL. Supondo queQ20 está a conduzir 5mA. A resistência de entrada

vista para dentro da base deQ20 é aproximadamenteβ20RL. Sendoβ20 = 50

paraRL = 2KΩ então a resistência de entrada deQ20 é 100KΩ. Esta

resistência aparece em paralelo com a resistência série de saída deQ13A

(ro13A ' 280KΩ) e a resistência do grupoQ18−Q19 (160Ω - muito pequena).

Então a resistência total no emissor deQ23 é aproximadamente

(100KΩ ‖ 280KΩ ' 74KΩ).

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Análise para pequenos sinais do 741

Andar de SaídaResistência de EntradaEntãoRin3 '

β23[(β20RL) ‖ ro13A] ' 3.7MΩComoRin3 Ro2 = 81KΩo efeito de carga do

andar de saída sobre o segundo

andar não é significativo.

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Análise para pequenos sinais do 741

Andar de SaídaGanho total de tensão em Circuito abertoGvo3 = vo

vo2

∣

∣

∣

RL=∞' 1

Devido ao facto de estarmos em presença de seguidores de emissor. Com

RL = ∞ a resistência no emissor deQ23 será muito grande. Isto significa que o

ganho deQ23 será quase unitária e a resistência de entrada deQ23 será muito

grande.

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Análise para pequenos sinais do 741

Andar de SaídaResistência de SaídaRo2 é a resistência de

saída do segundo andar.

Assumindo que a tensão

de saídavO é negativa

e por issoQ20 está a

conduzir a maior parte da

corrente (consideramos

eliminado o transístor

Q14). O valor exacto

da resistência de saída

depende de qual transístor (Q14 ouQ20) está a conduzir e da corrente na carga.

A resistência vista para dentro deQ23 é

Ro23 = Ro2β23+1 + re23 ' 1.73KΩ

atendendo queRo2 = 81KΩ, β23 = 50 ere23 = 25/0.18= 139Ω– p. 27/29

Análise para pequenos sinais do 741

Andar de SaídaResistência de SaídaConsiderando

quero13A é muito

maior queRo23 temos que

a resistência de saída é

Rout =Ro23

β20+1 + re20

Para uma corrente

de saída de 5mA,

re20 = 5Ω eRout = 39Ωa que deve-se adicionar

a resistência de protecção

contra curto-circuitos de 27Ω. A resistência de saída do 741 é especificado

como tipicamente de 75Ω.

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Análise para pequenos sinais do 741

Ganho Total de Pequeno SinalRL = 2KΩvovi

= vi2vi

vo2vi2

vovo2

= −Gm1 (Ro1 ‖ Ri2)(−Gm2Ro2)Gvo3RL

RL+Rout= 243147V/V =

107.7dB

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