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Amplificador Operacional
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 1.a  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, e se o mesmo sinal for aplicado na entrada  + a resposta na saida estará em fase com a entrada.
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

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 A
V 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 essa a saída pois  a máxima tensão na saida é limitada à alimentação,  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-=3V  a saída também satura, porem negativamente  e em um valor um pouco menor, aproximadamente -12V. 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 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 ?

2  Experiência: AO em malha  aberta
2.1.  Abra o  arquivo   ExpAO_07  AO  malha aberta e identifique  os   circuitos da figura 5. Inicie a simulação. Considere  que a alimentação é VCC=±12V. Meça   a tensão  de saída (Vs). O que era esperado ?

                ( a )                                                                    ( b )                                                                                 ( c )
Figura 5 - AO em malha aberta   (a) V+ >             V- (b)  V+ < V-   (c)   V+ = V-


Tabela 1 -  Tensão na saída  em malha aberta

Tensão  de Saída Teórico
Tensão  de Saída Simulado
V+>V-
V+<V-
V+>V-
V+<V-



3. O Amplificador inversor
     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 )
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.
  • 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 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.
Mais uma vez: "Para qualquer  amplificador  a realimentação (conexão entre a saída e a entrada)   deverá ser negativa  (saída conectada com a entrada inversora)".
   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

Solução:
Ve =1 V  Ganho  em malha fechada:    AVf = - 4K7/1K = -4,7       logo  Vs = AVfxVe = -4,7.1V = - 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 para o circuito
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

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 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 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 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  
4.1 Calcule o ganho do circuito da figura 11 e anote na  Tabela 2.
 4.2 Abra o arquivo   expAO 08 Inversor em CA    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 2.



Figura 11 - Amplificador inversor em CA para experiencia  - medida do ganho em CA
Tabela 2 - 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 3  (valores calculados).Abra o arquivo   expAO_09 Inversor em CC  e meça todos os valores da tabela 3.


Figura 12 - Amplificador  Inversor em CC   - medida do ganho em CC - medida das correntes

Tabela 3 - 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. Conclusões:
UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555  - Albuquerque e Seabra - Ed. Erica
 
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