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Amplificador Operacional
Aula 16: Características  de um AO Real
Referencia
UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555  Albuquerque e Seabra

1.  Ganho de tensão e largura de Ffaixa
    Na prática  o ganho de tensão e a largura de faixa não são infinitos.  O ganho de tensão diminui com o aumento da freqüência. A Figura 1  mostra a curva de resposta em freqüência  em malha aberta de um  AO  típico.

Figura 1 - Curva de resposta em frequencia do ganho em malha aberta

Observe que o ganho está especificado em dB e em relação de tensão, assim é que, no patamar o ganho é Vs/Ve=100.000 ou 20.log100.000= 100 dB.
A escala em dB é linear, mas a outra escala não é. Por isso mesmo usa-se a escala em dB.


Do gráfico  da Figura 1  podemos  ver que o ganho em malha aberta vale 100.000 (100 dB), ficando constante até  10 Hz. Acima de 10 Hz o ganho diminui à taxa de 20 dB por década,  isto é, o ganho é atenuado de 10 vezes (20 dB) cada vez que a freqüência  é multiplicada por 10.

Um  parâmetro importante de um AO é a freqüência de ganho  unitário (fU). Nessa freqüência  o ganho de  malha aberta torna-se igual a 1. No gráfico da Figura 1  esse para metro vale  fU =1 MHz.

Outro parâmetro importante é o   produto    ganhoxlargura de faixa (GxLF).
Para qualquer amplificador é válido:
GxLF = constante,  isto é, em um amplificador se o ganho aumentar a  LF(largura  de faixa) diminui ou vice-versa.  
A LF de um amplificador é definida como  sendo:
 
      LF = fCs  -  fCi onde    fCs = frequência de corte superior         fCi = frequência de corte inferior


A Figura 2  mostra  uma curva de resposta em freqüência de um amplificador  genérico.
No  caso de um AO como a fCi = 0 (o AO amplifica a partir de tensões CC), a LF = fCS
Obs: em um amplificador com transistores  a fCi é diferente de zero por causa dos capacitores de acoplamento que não existem  em um AO.



Figura 2 - Curva de resposta em frequencia de u amplificador generico


Para  o AO da Figura 1:

Em malha aberta:  LF = 10 Hz   pois    fCi = 0         e        fCs = 10 Hz       e como           Ganho = 100.000       
Logo o produto  GxLF = 100.000.10Hz =106Hz=1 MHz =fU
Vamos  supor que esse AO é usado em um amplificador de ganho igual a 10.
A largura de faixa será igual a:
LF = 106Hz/10 = 100 kHz, isto é,  o ganho diminuiu, mas para manter o produto GxLF constante a LF aumentou na  mesma proporção. A curva de resposta do amplificador passa a ser  como na Figura 3.


Figura 3 - Curva de resposta em frequencia do ganho de um amplificador construido com o AO da figura 1


2. Slew  Rate (Taxa de Inclinação da Tensão de Saída)
   Para compreendermos  o significado de Slew  Rate (SR),  consideremos o buffer da Figura 4a alimentado pelos pulsos da Figura 4b. A tensão  de saída teórica e a real  estão indicadas respectivamente  nas Figura 4c e Figura 4d.

                             ( a )
O Slew Rate (SL) ou taxa de inclinação é a máxima  taxa de variação da tensão de saída com o tempo,  isto é:

            SR =DVS/Dt.

Na Figura 4 o AO  tem um  SR de:   SR = 2V/1ms = 2V/ms  ou  SR =  4V/2ms = 2V/ms.

Isto  significa que a tensão de saída não pode variar mais rapidamente  do que 2 V a cada 1 ms, e, portanto se o sinal de entrada for mais rápido do  que isso, a saída não responderá distorcendo o sinal na  saída.



Figura 4 -  Buffer alimentado com onda quadradas
No caso de saída senoidal, VS = VM.sen(w.t), a inclinação (derivada) em cada ponto é  variável sendo dada por:
dVS/dt  = w.VM.cos(w.t)     e    tem  valor máximo (máxima inclinação)  na origem  (wt=0)  valendo:
dVs/dt(Máx)=w.VM
A Figura 5 mostra o comportamento da derivada,  inclinação ou slew rate,  de uma senóide,sendo máxima na origem e zero para  wt=90º.

Figura 5 -  comportamento da derivada   inclinação ou slew rate  um sinal senoidal

Observe que,   enquanto o SR do AO for maior do que w.VM não haverá distorção, caso contrário  a senoide começa a ficar achatada.


Exercício resolvido
Um AO tem SR = 2V/s, qual a máxima freqüência  que pode ter um sinal de 10 V de amplitude na saída do AO para que não  haja distorção por slew rate ?
Solução:
Para que não   haja distorção    SR >.VM      2.106V/s > 2..fmáx.10V
. f <2.106/20. = 31847 Hz  

3. Tensão  de Offset de Saída
     É  a tensão na saída de um AO quando não tem nenhum sinal  na entrada. São três as causas da saída ser diferente de  zero quando  a entrada é nula.

3.1.  Tensão de Offset de Entrada  (Vio)  
    A Figura 6  mostra, de uma forma simplificada, o circuito de entrada de um AO. É  um amplificador diferencial.


Figura 6 - Amplificador operacional: par diferencial de entrada


Com as duas entradas aterradas, em um AO ideal como os transistores  do par diferencial são iguais (VBE1=VBE2   e b1=b2 )  a saída é nula, Vs,. Na prática como VBE1¹VBE2  e 1¹2 ) existirá uma tensão entre os coletores que será  amplificada aparecendo na saída como um erro .
Definimos como tensão de offset de entrada (Vio) a tensão CC que deve ser aplicada em uma das entradas  de forma que a saída seja zero    Vio=VBE1 - VBE2
Tipicamente: Vio =2 mV para o 741

      
                    ( a )                                                         ( b )
Figura 7 - Amplificador operacional - tensão de offset de entrada (Vio)

3.2. Corrente  de Polarização de Entrada (Ip)
    Vamos supor que os transistores  de entrada são  iguais (VBE1=VBE2,  1=2   IB1= IB2 ), logo Vio=0 . Consideremos o amplificador inversor na Figura 8a com Ve = 0.  A saída não  será nula (não por causa da tensão de offset de entrada),  a causa  é a  corrente que polariza   o AO que ao passar pelo resistor (equivalente) colocado entre  a entrada inversora e o terra gera uma tensão a qual é amplificada.  Colocar entre a entrada não-inversora e o terra um resistor de igual  valor (RP= R1//R2), o mesmo será percorrido pela mesma corrente (na suposição  de transistores de entrada iguais) gerando a mesma tensão, anulando o  efeito da tensão na outra entrada e conseqüentemente anulando a  saída.


        
                   ( a )                                                                                     ( b )
Figura 8 - Ajustando o erro devido a corrente de polarização entrada (ip)

Na prática as duas corrente são diferentes e no  manual é especificado o valor médio das duas
IP = (IB1 + IB2)/2.                       Tipicamente   IP = 80nA.


3.3. Corrente de Offset de Entrada  (Iio)
    Ë definida como sendo a diferença entre as duas correntes  de entrada, com a saída nula:
Iio = IB1 - IB2
Como vimos a tensão de  offset de saída é causada pelo descasamento dos transistores no  primeiro par diferencial na entrada de um AO. A correção (ajuste  de offset) é  importante quando o AO é usado para amplificar tensões CC muito  pequenas, em instrumentação principalmente. Em aplicações  onde o AO amplifica tensões alternadas o ajuste de offset não é muito importante (um capacitor de acoplamento  retira a componente CC do sinal).

A Figura 9 mostra três  formas de se fazer o ajuste, sendo que a última (Figura 9c)  só  pode ser usada se o AO tiver  terminais para ajuste de offset.


Figura 9  - Circuitos  para ajuste de offset  ( a)  no circuito  ( b ) No AO 741

4.  Curva característica de transferência
   É o gráfico que relaciona saída (Vs) e entrada  (Ve) em qualquer amplificador. No caso de um AO em malha aberta (sem realimentação)  Ve=Vi
A Figura 10 é uma característica típica de um  AO com alimentação de   VCC = ± 12 V


Figura 10 -    Amplificador operacional -  Característica de transferência

Do gráfico da Figura 10 podemos observar que existe uma faixa  muito estreita para valores de Vi para os quais   o ganho é constante e o AO tem comportamento  linear. Para valores  de Vi compreendidos entre 0,1mV e +0,1mV o ganho é constante e vale:
AV =DVS/DVi =10V/0,1mV = 100.000, isto é,  a saída é dada por
Vs = 100.000,Vi
para  Vi>0,1mV  ou Vi< -0,1mV  o AO satura com 10 V ou -10 V.
No caso do Ao da Figura 10 não existe offset de entrada, isto é, existe simetria redor do eixo vertical, ou quando Vi=0 a saida Vs =0 tambem

Exemplo de um AO   Comercial
Existem vários tipos de amplificadores  operacionais um para cada tipo de aplicação. O AO mais simples  e mais conhecido é 741, o qual pode ter dois tipos de encapsulamento,  como indicado na Fig11. Clique aqui para acessar o manual


Figura 11 -  Amplificador operacional 741 - Encapsulamentos

1. Ajuste de offset
2. Entrada inversora
3.  Entrada não-inversora
4.   VCC
5. Ajuste de offset
6. Saída
7.   +VCC
8.  NC (Não Conectado)

LIMITES MÁXIMOS -   741C
Alimentação                                    ±18 V
Potência dissipada                         500 mW
Temperatura de operação  0ºC a 70ºC  

OUTROS PARÂMETROS
Slew rate                                                   0,5 V/ s
Tensão de offset de entrada                        2 mV
Corrente de offset de entrada                     20 nA
Ganho de tensão de malha aberta            200.000
fu (frequenci de ganho unitario)                1 MHz
Resistência de saída                                   75
Resistência de entrada                                1 M

Exercícios  Resolvidos
1.       Qual a máxima freqüência que pode ter o sinal  na entrada do circuito para a saída não distorcer por slew rate?  Dado: SR = 1V/s
Ve = 0,5.sen(.t)(V)


Solução:
O ganho do circuito é   AVf = -10 k/1 k = -10      de forma que a amplitude da saída será  de  Vs=10 VP=VM  e para não  haver distorção  deveremos ter     SL >.VM, isto é,  

1.106Vs  >  2..fMáx.10 V      daí  obtemos    fMáx <  106/2. = 159.235 Hz.=159 kHz

2.  Qual a máxima amplitude da senoide de entrada para a saída  não distorcer por slew  rate  no circuito?  A freqüência do sinal de entrada é 200 kHz. E  o slew rate é  5 V/ s.

Solução:  VM < 5.106/6,28.200.103 @ 4 V   como o ganho do circuito vale AVf =1 + 2K2/1k=3,2  e como  Ve = VS/AVf    então    VeMáx = VSmÁX/3,2 = 4/3,2 =1,25 V

4 . Experiencia:  Curva de resposta em frequencia - Produto GanhoxL.F
4.1. Abra o arquivo ExpAO_39  Curva de Resposta em Frequencia  identificando o circuito da figura 12. Para cada frequencia da  tabela 1 determine o ganho (Vs/Ve) o ganho em dB (20.log(Vs/Ve)). A partir dos  dados da tabela 1 levante o gráfico do ganho (em dB)  em função da freqüência  determinando a freqüência de corte (fc). Use papel monolog.

Figura 12 -  Amplificador Inversor - Determinando o produto GanhoxLF.
f(Hz)
1005001 k2 k 5k10 k15 k20 k
30 k
40 k
60 k
80 k
100 k
Vs












Ganho(Vs/Ve)


Ganho (20.log(Vs/Ve))












4.2. A partir dos dados da tabela e do grafico determine a LF do circuito e o  produto GxLF.
Lf=_______     GxLF=________
4.3. Compare  o valor obtido do GxLF em 4.2 com o valor do 741 obtido de manual.
4.4.  Escreva as suas conclusões

5.  Experiencia:  O Slew Rate
5.1. Abra o arquivo ExpAO_40  Slew rate e identifique o circuito da figura 13 (Buffer). Inicie a simulação  anotando a forma de onda na saída. Meça o Slew Rate que é a inclinação( ΔVs/ Δt) da forma de onda

                      
                                        ( a )                                                                                ( b )                               
Figura 13 -  Medindo o Slew Rate   ( a ) circuito ( b ) osciloscopio com cursores posicionados
SR=  ΔVs/ Δt  =__________(V/s ou V/μs)
5.2. Dê duplo clique no  AO e abra a janela OPAMP_5T_VIRTUAL e anote o valor do parâmetro Slew Rate (SR).
SR (do modelo) =_______________
5.3. Mude o valor do SR, por exemplo para  0,5 V/μs, e repita  o item 5.5.
5.4. Escreva as suas conclusões.

6.  Experiencia:   Tensão de Offset de Saida
6.1. Abra o arquivo ExpAO_41  Ajustando a  tensão de offset de saida  identificando o circuito da figura 14. Inicialmente ligue a entrada não  inversora no terra e para isso use a chave (Space muda a posição da chave). Meça  a tensão de saída nessas condições (Voffset).
Voffset=__________mV (sem ajuste)



Figura 14 -  Efetuando o  ajuste da tensão de offset de saída

6.2. Ponha a chave na outra posição ligando o voltímetro.  Use as letras A (maiuscula) e a (minuscula) para mudar o valor da resistencia do potenciômetro,  conseqüentemente da tensão que será aplicada na entrada não inversora provocando  a mudança da saída. O ideal é zerar a saída, se não for possível ajuste de forma  a obter o menor valor. Anote o valor mínimo obtido para a tensão de offset de  saída.
Obs: Para que a mudança da resistência  seja efetivada você deve  ativar a janela  e para isso clique na barra de título (faixa azul onde se  encontra o nome do arquivo).  
Voffset=__________mV (após ajuste)
6.3. Escreva as suas conclusões.
UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555  Albuquerque e Seabra
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