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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

Características de um AO Real

Na aula02 foi definido o AmOp Ideal com as caracteristicas:

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 esses parametros são limitados, e é o que será mostrado nessa aula para alguns deles.

1 Ganho de tensão e largura de faixa

Na prática o ganho de tensão e a largura de faixa não são infinitos. O ganho de tensão diminui com o aumento da freqüência e a largura de faixa é limitada, o valor depende do A.O considerado 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 de entrada (Vi=V2 - V1), assim é que, no patamar (CC) o ganho é Vs/Ve=100.000 ou 20.log100.000= 100 dB.

Observe que 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, o ganho em malha aberta vale 100.000 (100 dB), ficando constante até aproximadamente 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 (f_U). Nessa freqüência o ganho de malha aberta torna-se igual a 1. No gráfico da Figura 1 esse valor vale f_U =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 = f_Cs - f_Ci onde f_Cs = frequência de corte superior f_Ci = frequência de corte inferior

A Figura 2 mostra uma curva de resposta em freqüência de um amplificador genérico, como o que voce tem em casa.
No caso de um AO como a f_Ci = 0 (o AO amplifica a partir de tensões CC), a LF = f_CS

Obs: em um amplificador com transistores a f_Ci 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 =f_U

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 e com ganho realimentado de 10

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.

	O Slew Rate (SL) ou taxa de inclinação é a máxima taxa de variação da tensão de saída com o tempo, isto é: SR =DV_S/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 - ( a ) Buffer alimentado com onda quadradas ( b ) Formas de onda de entrada ( c )Formas de onda de saida ideal ( d ) Saidas no caso real

No caso de saída senoidal, V_S = V_M.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.

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

Observe que, enquanto o SR do AO for maior do que w.V_M não haverá distorção, caso contrário a senoide começa a tender para onda triangular.

Exercício resolvido

Um AO tem SR = 2V/ms, 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 >w.V_M 2.10⁶V/s > 2.p.f_máx.10V

. f <2.10⁶/20.p = 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 (V_io)

A Figura 6 mostra, de uma forma simplificada, o circuito de entrada de um AO. É um amplificador diferencial (Aula01)

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 b1¹b2 ) existirá uma tensão entre os coletores que será amplificada aparecendo na saída como um erro .

Definimos como tensão de offset de entrada (V_io) a tensão CC que deve ser aplicada em uma das entradas de forma que a saída seja zero V_io=V_BE₁ - V_BE₂

Tipicamente: V_io =2 mV para o 741

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 (V_BE₁=V_BE₂, b₁=b2 I_B₁= I_B₂), logo V_io=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 (R_P= 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.

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

I_P = (I_B1 + I_B2)/2. Tipicamente I_P = 80nA.

3.3 Corrente de Offset de Entrada (I_io)

Ë definida como sendo a diferença entre as duas correntes de entrada, com a saída nula:

I_io = I_B1 - I_B2

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=V_i

A Figura 10 é uma característica típica de um AO com alimentação de V_CC = ± 12 V

Figura 10 -Amplificador operacional - Curva Característica de transferência

O gráfico da Figura 10 mostra que existe uma faixa muito estreita para valores de V_i para os quais o ganho é constante e o AO tem comportamento linear. Para valores de V_i compreendidos entre 0,1mV e +0,1mV o ganho é constante e vale:

A_V =DV_S/DV_i =10V/0,1mV = 100.000, isto é, a saída é dada por

Vs = 100.000,Vi

para V_i>0,1mV ou V_i< -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 Figura 11. Clique aqui para acessar o manual

Figura 11 - Amplificador operacional 741 - Encapsulamentos

1. Ajuste de offset
2. Entrada inversora
3. Entrada não-inversora
4. V_CC
5. Ajuste de offset
6. Saída
7. +V_CC
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/

Tensão de offset de entrada 2 mV

Corrente de offset de entrada 20 nA

Ganho de tensão de malha aberta 200.000

f_u(frequenci de ganho unitario) 1 MHz

Resistência de saída 75 Ohms

Resistência de entrada 1 MOhms

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/ms

Ve = 0,5.sen(w.t)(V)

Figura 12 - Circuito para exercicio 1

Solução:

O ganho do circuito é A_Vf = -10 k/1 k = -10 de forma que a amplitude da saída será de Vs=10 V_P=V_M e para não haver distorção deveremos ter SL >w.V_M, isto é,

1.10⁶Vs > 2.p.f_Máx.10 V daí obtemos f_Máx < 10⁶/2.p= 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/ ms.

Figura 13 - Circuito para exercicio 2

Solução: V_M < 5.10⁶/6,28.200.10³ @ 4 V como o ganho do circuito vale A_Vf =1 + 2K2/1k=3,2 e como V_e = V_S/A_Vf então V_eMáx = V_SmÁX/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 (Multisim 14) 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. para desenhar a Curva de resposta em frequencia do ganho (Av(dB)xf)

Arquivo Multisim Live - Curva de resposta em frequencia do ganho

Figura 14 - Amplificador Inversor - Determinando o produto GanhoxLF.

f(Hz)

100

500

1 k

2 k

10 k

15 k

20 k

30 k

40 k

60 k

80 k

100 k

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 (Multisim 14) 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. Para medir o tempo para ir de -5V a 5V em Grapher selecione Plots, Cursors X AXIS os dois (Cursor 1 e Cursor 2) em Vs:V(1).

Arquivo Multisim Live - Slew Rate

( a ) ( b )

Figura 15 - Medindo o Slew Rate ( a ) circuito ( b ) osciloscopio com cursores posicionados
Fonte: Multisim V.14

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 (Multisim 14) 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 (V_offset).

V_offset=__________mV (sem ajuste)

Arquivo Multisim Live - Ajuste de offset

Figura 16 - Efetuando o ajuste da tensão de offset de saída
Fonte: Multisim V.14

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 (no Multisim Live) , 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).

V_offset=__________mV (após ajuste)

6.3. Escreva as suas conclusões.

UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555 Albuquerque e Seabra

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