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Amplificador Operacional
Aula 03: Amplificador Não Inversor -  Buffer
Referencias
UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555  - Albuquerque e Seabra - Ed. Erica

1. Amplificador  Não inversor
1.1.  Características Principais
  O amplificador não  inversor, como o nome mesmo diz, é um amplificador  no qual   a tensão  de saída (Vs) está  em fase com  tensão de  entrada (Ve) isso porque o sinal de entrada é aplicado nna entrada não inversora. A realimentação continua ser negativa, da saida para a entrada inversora A  Figura 1 mostra o circuito básico.


Figura 1 - Amplificador inversor  - circuito básico

1.2.  Ganho de Malha Fechada (com Realimentação)
    0 Ganho com realimentação é calculado por:

Avf=Vs/Ve

A dedução pode ser feita da  mesma forma que foi feita para o circuito inversor    
Assim como no amplificador inversor, o circuito  apresenta estabilidade no ganho devido à realimentação  negativa, isto é, o ganho so depende da relação entre duas  resistencias (R1 e R2) e é dado por:



Observe a semelhança com o ganho do amplificador inversor

1.3.  Impedância de entrada  com realimentação (Rif)
       A impedancia de entrada com realimentação é muito alta sendo dada por:

onde   Ri é a resistência de entrada em malha  aberta e AV é o ganho em malha aberta (obtido do manual)

1.4 Impedância de saída   com realimentação (Rof)
È muito baixa sendo dada por:

onde  RO é a resistência de saída em malha aberta (obtido do manual) e AV é o ganho em malha aberta.

Exercícios Resolvidos
ExResol 2. 1. Determinar Vs  no circuito.



Solução:
A tensão de entrada do circuito é:

como o ganho (1+R2/R1) é igual a 2  a saída   será igual a:
VS = ganho.Ve=(2).2V = 4 V

ExResol 2.2. - Qual a máxima amplitude que pode ter a tensão  de entrada Ve para que a saída não sature distorcendo a senoide  de saída ? Desenhar  a curva de transferencia VsxVe
Vsat = ±12V
Solução:
A máxima amplitude de saída é 12 V,  e  como o ganho é AVf = 1 +4k/1k = 5   a máxima amplitude  da entrada será :
Vemáx = Vsmáx/5 = 12V/4 = 2,4 V


Figura 2 - Circuito para exercicio 2.2

A curva  caracteristica de transferencia  VsxVe foi obtida atraves de uma simulação  no Multisim ( Simulate>>Analyses>DC Sweep)  

Figura 3 - Curva de Transferencia  para exercicio 2.2

Obs: A inclinação do  grafico determina o ganho, isto é, para uma variação -2V a 2V, portanto 4 V, a saida variara de -10V a +10V portanto 20 V de variação.

O ganho será igual a :

Avf= 20 V/4 V =5

ExResol 2.3. - Qual o valor de Ve que resulta numa saída (Vs) igual  a 8 V no circuito ?

Figura 4 - Circuito para exercicio 2.3


Solução:
O ganho do 2º estágio é AVf2 = 4             logo a tensão de entrada do 2º estágio será Vs1=VS/AVf2=8V/4=2 V
O ganho do 1º estágio é AVf1 = -2           logo  a tensão de entrada do 1º estágio, que é a tensão  de entrada do circuito será
Ve=VS1=2V/-2V. = -1V ou 1 V com a polaridade indicada no circuito.


ExResol 2.4  Qual o valor de R para que VS=6 V?


Figura 5 - Circuito para exercicio 2.24

Solução:
A tensão no ponto A é igual à tensão  no ponto B (a corrente através do 10 k é nula). Como o ganho do  segundo AO vale 2,  com VS =6 V a tensão na entrada (ponto B) será  igual a:
VB = 6V/2 = 3 V.
O 1º AO é um buffer, a sua tensão de saída  (VA) é igual tensão de  entrada (V+), portanto :
V+ =R.10V/(R + 10K) = 3V >>>  R = 943 Ohms
Experimente montar o circuito com os valores e confirmar a saida.

2   Experiência:  Amplificador não inversor em  CA
2.1. Calcule o ganho do circuito  da figura 6 e anote na Tabela 1.  Abra o arquivo
expAO_10  Não Inversor em CA identifique o circuito da Figura 6, inicie a simulação  e meça  os valores de pico a pico das tensões de entrada  (Ve) e de saída  (Vs) e indique na tabela1. Calcule o ganho experimental por Vs/Ve, anote na tabela 1.
Obs: O ganho é medido por:  Ganho=   Vsaidapp/Ventrpp


Figura 6 - Circuito para experiencia 4 - Amplificador    Não Inversor em CA
                              

Tabela 1 -  Ganho de tensão  - Calculado e medido
Ganho Calculado             (Teórico)
Vspp - MedidoVepp - Medido
Ganho Medido


2.2. Aumente Ve até a saida saturar (ceifar um dos picos). Anote esse valor maximo como Vemax.

Vemax.=__________

2.3. Conclusões:

3. Experiência: Amplificador  Não inversor em CC
3.1. Calcule  o valor das correntes indicadas  pelos amperímetros e a tensão indicada pelo voltímetro  na saída. Anote na tabela 2 os valores calculados. Abra o arquivo  expAO_11  Não Inversor em CC  inicie a simulação medindo as correntes e tensões indicadas na tabela 2.

                                                                              



Figura 7 - Circuito para experiencia 5 -  Amplificador    Não Inversor em CC

Tabela 2 - Amplificador Não  Inversor - Medida das correntes e tensão de saída
Valores             Calculados
Valores             Simulados
I1(mA)
I2(mA)
IL(mA
VS(V)
IAO(mA)
I1(mA)
I2(mA)
IL(mA)
VS(V)
IAO(mA)



3.3. Conclusões
4. Buffer  (Seguidor de Tensão)
    Um Buffer ou seguidor de tensão tem  três características:
  • Altíssima  impedância de entrada;
  • Impedância de saída muito  baixa e;
  • Ganho unitário.

A principal aplicação dos  Buffers é como elemento "casador" de impedância   e como interface entre circuitos que consomem corrente e circuito  que não dispõe de capacidade de corrente.
      A Figura 8 mostra o circuito do Buffer com AO. Podemos identificar neste,  o  amplificador não inversor no qual  R2=0 e R1 é infinito  de forma que  considerando a expressão do ganho do amplificador   não inversor obtemos   Avf=1.




Figura 8 - Circuito de um Buffer  (seguidor de tensão) usando AO

Consideremos um exemplo de  aplicação:
A  Figura 9 mostra  um divisor de  tensão, Ve (2 V)  e Rs (10 k)  representam a saída  de um amplificador, onde Rs é  a resistencia de saida,  RL é a carga. Qual o valor da tensão  na carga de 1 k (RL)?


Figura 9 - Divisor de tensão com carga muito menor que a resistencia de saida do circuito anterior

É um divisor de tensão logo:



      Esse valor de tensão é  tão baixo devido ao fato da resistência  de saída (Rs)  do amplificador ser muito maior do que o valor da carga (RL).   Para obter na carga o maior valor possível de tensão, entre a  carga e a saída do amplificador deve ser inserido um buffer que tem as  características já  citadas acima (impedância de entrada  altíssima, de saída baixíssima e ganho de tensão  1), Figura 10. O resultado é que agora a tensão na carga será  igual à tensão da fonte de sinal.



Figura 10 -   Buffer entre a carga e a saida do circuito anterior

Colocando entre a carga e a fonte um Buffer a tensão na carga será praticamente igual a tensão da fonte  e a corrente na carga é fornecida agora pelo Buffer, figura 10.

5. Experiência:  Buffer
5.1- Calcule o valor  da tensão  na saída   (Vs) dos  circuitos da  figura a seguir. Abra o arquivo  ExpAO_12  Buffer  e identifique os circuitos da Figura 11.Inicie a simulação e meça as tensões de entrada (ve) e  de saída (Vs) e calcule o ganho, CC e CA.



Figura 11 -  Circuitos para experiencia 6  Buffer

Caso a: sem buffer    Caso b: com buffer
Tabela 4 - Valores calculados e simulados  Buffer
Valores  Calculados
Valores  Simulados
Caso a
Caso b Caso a
Caso b
VS
VS
VS
VS



5.2. Conclusões:
6.  Saída de potência
         A máxima  corrente de saída de um AO (no caso do 741) é aproximadamente  20 mA, quando a carga solicitar uma corrente maior, é necessário  colocar entre a carga e o AO um reforçador de corrente que é em  geral um transistor na configuração coletor comum (tambem chamado de Buffer). A figura 8a  é um circuito não-inversor com saída de potência.  O circuito da figura 8b tem reforço de corrente e permite que a entrada  seja alternada (no semiciclo positivo conduz TR1 e no semiciclo negativo conduz  TR2).



Figura 12 - Saida de potencia em CC
ExResol 1.7. No circuito da figura 12 pede-se calcular: a) Corrente na carga<IL  b) Corrente  na saída do AO, IAO
c) Potência dissipada na carga. Dado: b =125

Solução:
a) Por causa do curto circuito virtual      VR1=Ve=5 V       logo   I1 = VR1/R1 =5V/10 k =0,5 mA = I2   logo     VR2 = 10K.0,5 mA  = 5 V

como VL = VR1 + VR2 = 5 + 5 = 10V         logo      IL = 10V/10 Ohms=  1A.

b) IE = I2 + IL = 0,5 + 1000 = 1000,5 mA =IC
           
      IAO =IB = IC/b = 1000,5mA/125 = 8  mA

c) PDRL = VL.IL = 10V.1 A = 10 W
A  potência dissipada transistor  é calculada por
PDTR = VCE.IC = (12-10)V.1 A=2V.1A=2 W.


Quando  a entrada é  alternada, por exemplo senoidal, é necessario uma saida do tipo classe B como na figura 13. Nesse circuito, no semiciclo positivo do sinal de entrada, a saida é negativa e conduz o transistor TR2. No semiciclo negativo da entrada a saida será positiva, neste caso conduz o transistor TR!.



Figura 13 - Saida de potencia em CA

6. Experiência:  AO com saida de potencia em CC e CA
6.1. Abra o arquivo expAO_13  saida de potencia e identifique o circuito da Figura 14. Inicie a simulação e meça os valores das correntes e tensões  do circuito CC compare com os valores calculados.
Valores medidos
IAO=________       IL=__________      VL=__________


Figura 14 - Saida de potencia em CC para experincia

6.2.  Abra o arquivo ExpAO_13  saida de potencia e identifique o circuito da Figura 15. Inicie a simulação. Anote  a forma de onda de entrada e saida. Os valores estão de acordo com o esperado?


Figura 14 - Saida de potencia em CA para experiencia

6.3. Escreva as suas conclusões.

ExResol 1.8. Calcule a potência dissipada na carga RL.
Solução:
No  semiciclo positivo conduz TR2 e TR1 corta, e considerando o valor de pico da  entrada (0,5 V), a tensão na carga será  Vs=AVf.Ve=(-10).0,5V=-5 V.
Ve: Semiciclo positivo



                                      ( a )                                                                                                           ( b )
Figura 16 - Saida de potencia em CA  ( a ) entrada positiva  ( b ) entrada negativa


A tensão de  pico na carga é VP =5 V     como é uma tensão senoidal o seu  valor eficaz é:



Portanto a potência  dissipada na carga será:



Exercícios Propostos
ExProp 1.1 Calcular VS em cada caso.
1a.

1b

ExProp 1.2. Calcule a corrente na saída de cada AO no ex1

ExProp 1.3.. O circuito a seguir funciona como uma fonte de corrente constante  (mesmo que a carga mude de valor , o valor da corrente não muda ). Pede-se:
a)  Valor da  corrente na carga (IL)
b)  Quais os  limites que pode ter RL, na prática, para que o circuito possa funcionarcomo  fonte de corrente?




ExProp 1.4. O circuito é um voltímetro de precisão.  Qual o fim de escala para cada posição da chave?

ExProp 1.5.  O circuito é um ohmímetro de precisão  e linear. Quais os limites de resistência que podem ser medidos (fim de  escala) em cada posição da chave?




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