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Amplificador Operacional
Aula 02: Introdução - Amplificador Inversor
Referencia
Aula 02: Introdução - Amplificador Inversor
Referencia
UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555 - Albuquerque e Seabra - Ed. Erica
1. Características principais de um A.O.
1.1. Introdução
O amplificador operacional (AO) é um dispositivo em circuito integrado (CI) que tem grandes aplicações em todas as áreas da eletrônica (filtros,aplicações lineares, aplicações não lineares, áudio, controle, operações aritméticas, etc). Como o circuito interno é muito complexo toda a analise será feita considerando o modelo (circuito equivalente) mostrado na figura 1b, o qual é adequado para a maioria das aplicações. A figura 1a mostra o símbolo do AO e a figura 1b o circuito equivalente simplificado.
( a ) ( b )
Figura 1 - Amplificador operacional ( a ) Símbolo e ( b ) circuito equivalente
De acordo com a figura 1a o AO tem duas entradas, uma chamada de entrada inversora (-) e outra chamada de não inversora (+), sendo assim chamadas pois uma tensão aplicada na entrada - a resposta na saída estará defasada de 180º em relação a entada (-), e se o mesmo sinal for aplicado na entrada + a resposta na saida estará em fase com a entrada (+).
Na Figura 1b:
Av é o ganho em malha aberta (sem realimentação) tem um valor muito alto, no caso do 741 tipicamente Av=100.000
.
.
Ri é a resistência de entrada em malha aberta, e tem um valor muito alto (no caso do 741 Ri = 1M Ohm)
Ro é a resistência de saída em malha aberta, tem um valor baixo (no caso do 741 Ro = 75 Ohms )
Vi =V2 - V1 = sinal erro ou sinal diferença, é o que é amplificado efetivamente, isto é, a tensão na saída será proporcional à diferença entre as duas tensões de entrada, matematicamente:
Vs = Av.Vi= Av.(V2-V1)
Um AO idealmente deveria ter as seguintes características:
a) Resistência de entrada infinita;
b) Resistência de saída nula;
c) Ganho de tensão em malha aberta infinito;
d) Largura de faixa infinito;
e) Ausência de offset na saída (Vs = 0 se V1 = V2 );
f) Slew rate infinito.
Na pratica, considerando o AO 741, os valores valem aproximadamente:
a) Ro= 75 W
b) Ri= 1MW
c) Av=100.000
d) LF= 8 Hz
e) Vio=2 mV
f) SR=0,7 V/µs
Existem vários tipos de amplificadores operacionais, um para cada tipo de aplicação. O AO mais simples e mais conhecido é o 741, o qual pode ter dois tipos de encapsulamento, a figura a seguir mostra a o mais usual, o Dual In Line Package (DIP) de 8 pinos. Para maiores detalhes consultar o manual. O MC 1458 consiste de um par de 741 encapsulados em um mesmo chip.
( a ) ( b )
Figura 2 - Pinagem amplificador ( a ) 741 ( b ) 1458
1.2 Amplificador Operacional em Malha Aberta
Malha aberta significa que não existe realimentação (saída conectada com um das entradas), nessa condição a tensão na saída é dada por
VS=AV.(V+ – V-),
onde AV é o ganho em malha aberta, sendo tipicamente igual a 100.000 no caso do 741, V+ a tensão na entrada não inversora e V- a tensão na entrada inversora. Desta forma se na figura 3a, na entrada não inversora a tensão é 3 V e na entrada inversora é 0 V e considerando um ganho de 100.000 a saída será:
Vs=100.000.(3-0)=300.000V!!
Obviamente que não será esse a tensão de saída pois a máxima tensão na saida é limitada à alimentação,Vcc. Nessas condições dizemos que a saída satura. Se a alimentação simétrica for ±12V a saída será aproximadamente +12V.
( a ) ( b ) ( c )
Figura 3 - Amplificador operacional em malha aberta
No outro caso, Figura 3b, V+=0 e V-=3 V a saída também satura, porem negativamente e em um valor um pouco menor, aproximadamente -12 V. No terceiro caso, Figura 3c, teoricamente a saída será nula, mas devido ás imperfeições do circuito interno a saída será diferente de zero.
Curva de transferência
A curva de transferência relaciona a tensão de saída (Vs) com a de entrada (Ve). A Figura 4 mostra o caso ideal (ganho de malha aberta infinito) e o real (ganho de malha aberta 100.000).
Figura 4 - Curva característica de transferência em malha aberta (sem realimentação)
Veja que, na pratica, dependendo dos valores de entrada considerados, um AO real pode ter o comportamento de um ideal. Se na Figura 4 a escala horizontal fosse não mV mas V, o gráfico em preto (real) tambem estaria na vertical.
Antes de continuar responda as questões:
1) Quais as principais características de um AO ideal ?
2) Por que ele pode amplificar também tensões continuas?
3) O que é a curva de transferência em malha aberta?
4) Por que não usamos o AO em malha aberta para amplificar sinais ?
1) Quais as principais características de um AO ideal ?
2) Por que ele pode amplificar também tensões continuas?
3) O que é a curva de transferência em malha aberta?
4) Por que não usamos o AO em malha aberta para amplificar sinais ?
2 Experiência: AO em malha aberta
Arquivo Multisim Live
( a ) ( b ) ( c )
Figura 5 - AO em malha aberta (a) V+ > V- (b) V+ = V- (c) V+ < V-
Veja a introdução de como usar essa ferramenta (Multisim Live) em Multisim On Line
Arquivo Multisim Live - Amp Op em Malha Aberta
Anote na tabela 1 os valores medidos.
Tabela 1 - Tensão na saída em malha aberta
Tensão de Saída Teórico | Tensão de Saída Simulado | ||
V+>V- | V+<V- | V+>V- | V+<V- |
2.2. Abra o arquivo Multisim Live e para valor de V2 da tabela e com V1=0, meça o valor da saída,Vs. Com os dados obtenha o grafico de VsxVi, onde Vi=V2-V1.
Obs: Faça download do papel milimetrado, que já tem uma escala. Use o Paint do Windows para desenhar o grafico.
Arquivo Multisim Live - Experiencia 01: Amp Op em Malha Aberta
Tabela 2 - Obtendo a curva de transferencia em malha aberta
| V2(mV)=Vi | 0.01 | 0.03 | 0.05 | 0.08 | 0.1 | 0.12 | 0.15 | 0.2 |
| Vs(V) |
3. O Amplificador inversor
Na pratica quando o A.O é usado como amplificador, o circuito deve ter Realimentação negativa.O circuito da Figura 6 é chamado de amplificador inversor pois a tensão de saída (Vs) está defasada de 180º em relação à entrada (Ve), valendo para tensão alternada e continua
( a ) ( b )
Mais uma vez: "Para qualquer amplificador a realimentação (conexão entre a saída e a entrada) deverá ser negativa (saída conectada com a entrada inversora)".
Figura 6 - Amplificador inversor (a) em CA (b ) em CC
Para deduzir a expressão do ganho com realimentação (Avf=Vs/Ve) as seguintes características de um AO é ideal devem ser consideradas:
- Ganho de malha aberta infinito, logo Vi = Vs/Av =0. (Vi é a tensão entre a entrada + e a entrada -). Portanto na Figura 6 a tensão em R1 vale Ve, as duas entradas estão "em curto circuito". É um curto circuito virtual.
- Impedância de entrada infinita, conseqüentemente as corrente nas duas entradas + e - valem zero, Ii=0, portanto na Figura 6 podemos afirmar que I1=I2.
Curto circuito virtual
Como a tensão entre as duas entradas é nula (curto circuito), mas apesar disso a corrente é nula (não esqueça em um curto circuito a corrente é máxima), por causa disso dizemos que entre as duas entradas existe um "curto circuito " virtual e que na entrada inversora temos um terra virtual. Do circuito na figura 6, em função das observações pode ser deduzido que:
Ve=R1.I1 e Vs= - R2.I2
Portanto o ganho do circuito será:
E como I1=I1 resulta para o ganho a seguinte expressão:
O sinal negativo indica defasagem de 180º entre Ve e Vs .
A Realimentação Negativa
É obtida conectando a saída, Vs, à entrada inversora (caso a saída estivesse conectada com a entrada não inversora a realimentação seria positiva).
Todos os amplificadores com AO, obrigatoriamente terão realimentação negativa. A realimentação negativa confere aos amplificadores algumas características interessantes tais como: estabilidade do ganho, aumento na largura de faixa, diminuição na distorção e modificação na impedância de entrada e saída.
Como podemos verificar da expressão do ganho do amplificador inversor, o ganho "não depende da carga " nem do AO. A impedância de entrada desse circuito é igual a R1 e a impedância de saída dada por:
Rof = (Ro.R2)/Av.R1
onde Ro é a resistencia de saida sem realimentação e Av é o ganho em malha aberta
A resistência de entrada do circuito é dada por Rif = R1 (é a resistência efetivamente “vista” pela fonte Ve).
Exercícios resolvidos
ExResol 1.1.. Calcule a tensão na saida do AO (VS), a corrente na saída do AO (IAO) e na carga (IL) no circuito.
Figura 7 - Amplificador inversor para exercicio resolvido 1.1
Arquivo Multisim Live - exercicio resolvido 1.1
Solução:
Ve =1 V Ganho em malha fechada: AVf = - 4K7/1K = -4,7 >>> como Vs = AVfxVe = -4,7x1V = - 4,7 V
IL = -4,7V/1K = - 4,7 mA ( para cima) e IAO = IL + I2 = 1mA + 4,7mA = 5,7 mA (entrando no AO)
ExResol 1.2. Para o circuito a seguir pedem-se:
a) Desenhar os gráficos de Vsxt e Vext
b) Desenhar a curva característica de transferência (VsxVe) se a tensão de saturação é dada VSat=±12V
Dado: Ve = 1.senwt (V)
Figura 8 - Amplificador inversor para exercicio resolvido 1.2
Arquivo Multisim Live - exercicio resolvido 1.2
Solução:
a) AVf = Vs/Ve = -10 logo Vs = -10.1.senwt = -10.senwt(V)
Formas de ondas obtidas no osciloscopio
 Figura 9 - Formas de onda de Ve e Vs do circuito da Figura 8 | Entrada (Ve) Canal A Volts/Div.= 1V/Div. No DiV = 2 Vepp = 2 Divx 1V/Div = 2Vpp Saida (Vs) Canal B Volts/Div.= 10V/Div. No DiV = 2 Vepp = 2 Divx 10 V/Div = 20Vpp | |
b) A curva caracteristica de transferência de qualquer dispositivo relaciona a variável de entrada com a variável de saída. Por exemplo, em um motor a variável de entrada pode ser a tensão no enrolamento e a variavel de saída, a rotação no eixo.
No caso, a entrada é uma tensão (Ve) e a saída é tensão (Vs).
A curva de transferência é basicamente a representação gráfica da equação VS=-10.Ve dentro da região linear, isto é, para saturar (atingir 12V na saída) a entrada deve valer ±1,2 V. Matematicamente escrevemos:
VS=-10.Ve é valido para -1,2V<Ve<1,2V
Figura 10 - Curva de transferencia do exercicio 1.2
4. Experiência: Amplificador Inversor em CA - Medida do ganho
4.2 Abra o arquivo expAO 08 Inversor em CA (Multisim 14) ou Multisim Live e anote as formas de onda de entrada (Ve) e saida (Vs), medindo valor de pico a pico da tensão de saida (VSPP) e calcule o ganho (Av=Vspp/Vepp), anotando na Tabela 3.
Figura 11 - Amplificador inversor em CA para experiencia - medida do ganho em CA
Veja a introdução de como usar essa ferramenta em Multisim On Line
Arquivo Multisim Live - Amplificador inversor em CA
Tabela 3 - Amplificador inversor em CA - Determinando o ganho em CA
| Ganho Calculado (Teórico) | Ganho Medido |
4.3 Aumente a amplitude de Ve para 2 V de pico e observe o que acontece com as formas de onda. Justificar
4.4. Conclusões.
5. Experiência: Amplificador inversor em CC
5.1. Calcule o valor das correntes indicadas pelos amperímetros e a tensão indicada pelo voltímetro na saída. Anote na tabela 4 (valores calculados).Abra o arquivo expAO_09 Inversor em CC (Multisim 14) e meça todos os valores da tabela 4.
Figura 12 - Amplificador Inversor em CC - medida do ganho em CC - medida das correntes
Veja a introdução de como usar essa ferramenta em Multisim On Line
Multisim Live - Amplificador Inversor em CC
Tabela 4 - Amplificador Inversor em CC - Medida das correntes e tensões
| Valores Calculados | Valores Medidos | ||||||||||
| I1 | I2 | IAO | IL | Vs | I1 | I2 | IAO | IL | Vs | Ganho | |
5.2. escreva as suas conclusões:
6. Exercicios Propostos
6.1 Determinar a tensão de saída do circuito (Vs).Experimente montar na matriz de pontos.
6.2 Determinar a tensão de saída do circuito (Vs).Experimente montar na matriz de pontos.
UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555 - Albuquerque e Seabra - Ed. Erica