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Amplificador Operacional
Aula 01:Amplificador Diferencial com Transistores
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UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555 - Albuquerque e Seabra - Ed. Erica
1. Introdução
O amplificador diferencial (AD) é importante no estudo dos amplificadores operacionais (AO) pois ele é o primeiro estágio de um AO, estabelecendo algumas de suas principais características.
Por definição um AD é um circuito que tem duas entradas nas quais são aplicadas duas tensões v1 e v2 e uma saída vS. Se considerarmos a condição ideal se v1 = v2 a saída será nula, isto é, um AD é um circuito que amplifica só a diferença entre duas tensões rejeitando os sinais de entrada quando estes forem iguais.
Figura 1 - Amplificador diferencial ideal
No caso ideal Vs=Ad.Vd=Ad.(V1 - V2) onde
Ad=Ganho diferencial de tensão
Vd=V1 - V2 = sinal diferença ou sinal erro
Se V1=V2 então Vd=0 e portanto Vs=0
Na pratica existirá sempre uma pequena tensão na saída quando V1 = V2 (situação esta chamada de modo comum). No caso de um AD real a expressão da tensão de saída em função da entradas é dada por:
Vs=Ad.Vd + Ac.Vc
Vc = (V1 + V2)/2= sinal em modo comum e Ac=Ganho em modo comum.
Está claro pelo exposto que no caso de um AD ideal o valor de Ac=0.
Os valores de Ad e Ac dependem dos componentes usados na construção do AD, como veremos a seguir.
No circuito da Figura 2 vamos admitir que os transistores são iguais e que a fonte de corrente é ideal (Ie1+Ie2=IO=constante).
Figura 2 - Amplificador diferencial discreto
Consideremos a tensão na entrada 2 constante (V2 = E) e a tensão na entrada 1 como sendo igual a V1=VM1.sen(wt ) + E, isto é, uma tensão alternada senoidal com um nível médio E. A Figura 3 mostra as principais formas de onda do circuito considerando essas entradas.
Quando V1=V2= E, os dois transistores conduzirão a mesma corrente (IE1 = IE2 = IO/2), pois admitimos inicialmente transistores idêntico, nessas condições a tensão do coletor para o terra de cada transistor será igual a
VS1=VS2= VCC - RC.IO/2 e portanto a tensão entre os coletores valerá:
Vs=Vs1 -; Vs2=0.
Da Figura 2 e considerando que os transistores são idênticos e que a fonte de corrente é ideal podemos concluir que :
O ganho diferencial de tensão, considerando a saída nos coletores, é igual a :
Ad =Vs1pp/VM1 = VS2pp/VM1 (VS1pp=VS2pp)
VS1= saída VM1 = valor de pico da entrada 1
Ad =Vs1pp/VM1 = VS2pp/VM1 (VS1pp=VS2pp)
VS1= saída VM1 = valor de pico da entrada 1
Se a saída for entre os coletores o ganho será duas vezes maior. A figura 3 mostra as principais formas de onda, Vs1(t) e Vs2(t). De cima para baixo:
( a ) ( b )
Figura 3 - ( a ) Amplificador diferencial discreto ( b ) Formas de onda nos dois coletores
Dos gráficos da Figura 3 também concluímos que o sinal na saída 1, Vs1, está defasado de 180º em relação à entrada1, V1, e o sinal na saída 2, Vs2, está em fase com a entrada 1. Por isso mesmo é que, se considerarmos a saída no coletor de Q2 a entrada 1 será chamada de não-inversora (+) e a entrada 2 chamada inversora (-).
2. Amplificador diferencial com fonte de corrente real
Na pratica os transistores nunca serão iguais e a fonte de corrente não será ideal. A Figura 4 mostra o circuito de um AD pratico. Neste circuito a fonte -VCC junto com RE simulam a fonte de corrente.
Figura 4 - Amplificador diferencial discreto com fonte de corrente real
O valor da fonte de corrente é calculado fazendo-se V1=V2= 0 (condições quiescentes), resultando:
Para esse circuito o ganho diferencial, considerando a saída nos coletores, será calculado por:
onde re= resistência incremental da junção base emissor podendo o seu valor ser estimado por:
re=25mV/IE a 25ºC
sendo IE= a corrente quiescente de emissor=Io/2
Ou em função dos parâmetros h (híbridos) :
Ad = hfe.RC/2.hie sendo re=hie/hfe
O ganho em modo comum (Ac) do circuito é calculado por:
Ac = RC/2.RE
Como é desejável um Ac o menor possível estaríamos tentado a aumentar RE o máximo possível, mas isso provocaria uma diminuição nas correntes de polarização, diminuindo o ganho. Para manter o mesmo valor de corrente, se RE aumentar, devemos aumentar proporcionalmente VCC, o que na prática não é possível. Uma solução é a Polarização por espelho de corrente.
2.1. Polarização por Espelho de Corrente
Uma possível solução é substituir RE por um transistor Q3 que simula uma alta resistência, sem que seja necessário um valor alto de VCC. Desta forma se obtém um a valor de Ac muito baixo. O circuito da Figura 5 é chamado de amplificador diferencial com polarização por espelho de corrente, sendo muito usado em circuitos integrados e permite obter ganhos elevados.
Figura 5 - Amplificador diferencial discreto com polarização por espelho de corrente
A polarização por espelho de corrente é eficaz quando existe casamento perfeito entre os dois transistores TR3, isto é, o VBE3 é o mesmo.
3. Amplificador diferencial com realimentação
O circuito da Figura 4 tem um ganho instável por que o valor de re não é o mesmo para um mesmo tipo de transistor e varia com a temperatura. Uma forma de contornar o problema é aplicar realimentação negativa ao circuito como na Figura 6. Neste circuito a realimentação existente através de RE1 e RE2 diminui o ganho mas deixa-o estável, isto é, se os transistores forem trocados e/ou a temperatura variar o valor do ganho não muda (ou varia pouco).
Figura 6 - Amplificador diferencial com realimentação
O ganho de tensão considerando a saída nos coletores é dado por :
Ad = RC/2.RE
ou em função dos parâmetros h
Ad = RC/2.(hie/hfe + RE)
Considerando a saída entre os coletrores o ganho diferencial será duas vezes maior:
Ad= RC/.RE
4. Experiência: Amplificador Diferencial Parte 1: Medida das correntes
4.1. Abra o arquivo expAO_01 AD trs iguais (Multisim 14), Multisim Live. Identifique o circuito da Figura 7. Calcule todos os valores pedidos da Tabela 1 e em seguida execute uma simulação. Meça todos os valores e indique Tabela 1. Os transistores são iguais.
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Figura 7 - Amplificador diferencial com transistores iguais
Arquivo Multisim Live - AD com transistores iguais
Tabela 1 - Amplificador diferencial - medida dos valores quiescentes - transistores iguais
Valores Calculados | Valores Medidos por Simulação | ||||||||
IC1(mA) | IC2(mA) | VCE1(V) | VCE2(V) | I0(mA) | IC1(mA) | IC2(mA) | VCE1(V) | VCE2(V) | I0(mA) |
4.2. Abra o arquivo expaAO_02 AD trs diferentes (Multisim 14) ou o Arquivo Multisim LIve, identifique o circuito da Figura 8, a seguir. Calcule todos os valores pedidos da Tabela 2. Observe que os transistores são diferentes pois apresentam corrente de saturação diferentes (TR1 tem IS=1 nA e TR2 tem Is=3 nA). Use os mesmos dados do item 4.1 para efetuar os calculos. Os transistores são diferentes.
Figura 8 - Amplificador diferencial com transistores diferentes e sem realimentação
Veja a introdução de como usar essa ferramenta em Multisim On Line
Arquivo Multisim live - Amplificador diferencial com transistores diferentes
Tabela 2 - Amplificador diferencial - medida dos valores quiescentes - transistores diferentes
Valores Calculados | Valores Medidos | ||||||||
IC1(mA) | IC2(mA) | VCE1(V) | VCE2(V) | I0(mA) | IC1(mA) | IC2(mA) | VCE1(V) | VCE2(V) | I0(mA) |
4.4. Abra o arquivo expAO_3 AD com realimentação (Multisim 14), ou Arquivo Multisim Live. Identifique o circuito da Figura 9, (amplificador diferencial com realimentação) a seguir. Calcule todos os valores pedidos da Tabela 3. Observe que existe uma realimentação negativa através dos resistores RE1 e RE2 que tem como finalidade diminuir a diferença entre as correntes de coletor provocada pelo descasamento entre os transistores. Meça todos os valores da Tabela 3. Os transistores são diferentes.
Figura 9 - Amplificador diferencial com transistore diferentes circuito com realimentação
Veja a introdução de como usar essa ferramenta em Multisim On Line
Arquivo Multisim Live - AD com transistores diferentes
Tabela 3 - Amplificador diferencial - medida dos valores quiescentes - transistores diferentes circuito com realimentação
Valores Calculados | Valores Medidos | ||||||||
IC1(mA) | IC2(mA) | VCE1(V) | VCE2(V) | I0(mA) | IC1(mA) | IC2(mA) | VCE1(V) | VCE2(V) | I0(mA) |
5. Experiência: Amplificador Diferencial Parte 2: Medida do ganho com transistores iguais
5.1. Abra o arquivo expAO_04 AD Medida ganho trs iguais (Multisim 14) ou Multisim Live. Identifique o circuito da Figura 10. Calcule o ganho diferencial considerando a saida em um dos coletores e anote o resultado na Tabela 4.
5.2. Meça o valor de pico a pico da tensão de entrada (V1) e da tensão de pico a pico nos coletores, VC1 e VC2 anotando os valores na Tabela 4.
Observe que as amplitudes são iguais nos dosi coletores, mas defasadas de 180 graus.
Figura 10 - Amplificador diferencial sem realimentação - medida do ganho AC - transistores iguais
Veja a introdução de como usar essa ferramenta em Multisim On Line
Arquivo Multisim Live - Medida do ganho - Transistores iguais
Tabela 4 - Amplificador diferencial com transistores iguais - calculo e medida do ganho de tensão
| Valores Calculados | Valores Medidos | |||
IE(mA) | re= 25mV/IE | Ad =RC/2.re | Ad1=VC1/Ve | Ad1=VC1/Ve |
5.2. Abra o arquivo ExpAO_05 AD medida ganho trs diferentes, ou Multisim Live. Identifique o circuito da Figura11. Inicie a simulação e anote as formas de onda de entrada, e nos coletores (VC1 e VC2). Anote na tabela 5 os valore calculados e simulados do ganho. Observe que os transistores são diferentes. Use os valores medidos de IE1 e IE2 em 4.4 para calcular o ganho em cada coletor.
Observar que as amplitudes são diferentes nos dois coletores bem como o ganho. Isso se deve ao fato dos transistores serem diferentes.
Figura 11 - Amplificador diferencial sem realimentação - medida do ganho - transistores diferentes
Veja a introdução de como usar essa ferramenta em Multisim On Line
Arquivo Multisim Li - Medida do ganho sem Realimentação - Transistores diferentes
Tabela 5 - Amplificador diferencial com transistores diferentes - calculo e medida do ganho de tensão
| Valores Calculados | Valores Medidos | |||
IE(mA) | re= 25mV/IE | Ad =RC/2.re | Ad1=VC1/Ve | Ad1=VC1/Ve |
5.3. Abra o arquivo expAO_06 AD com realimentação medida do ganho transistores diferentes (Multisim 14), Multisim Live. Identifique o circuito da figura12. Inicie a simulação e anote as formas de onda de entrada, e nos coletores (VC1 e VC2). Anote na tabela 6 os valore calculados e simulados do ganho. Observe que os transistores são diferentes e o circuito apresenta realimentação. Use os valores medidos de IE1 e IE2 em 4.6 para calcular o ganho em cada coletor. (para calcular usar a equação).
Observar que aas amplitudes ainda são diferentes, mas as diferenças agora são menores devido à realimentação. O ganho diminui, mas as diferenças entre as amplitudes dos dois sinais nos coletores diminui.
Figura 12 - Amplificador diferencial com realimentação - medida do ganho - transistores diferentes
Arquivo Multisim Live - Amplificador diferencial com realimentação - medida do ganho - transistores diferentes
| Valores Calculados | Valores Medidos | ||||
IE(mA) | re= 25mV/IE | Ad =RC/2.(re+ RE) | Ad1=VC1/Ve | Ad1=VC1/Ve | Ad=(Vc1-Vc2)/Ve |
5.4. Conclusões:
UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555 - Albuquerque e Seabra - Ed. Erica