Amplificadores Operacionais
AmpOp - Amplificador Operacional - É um amplificador de alto ganho e acoplamento directo que utiliza um controlo de realimentação (feedback) para controlar as suas características.
Contém uma saída, controlada por duas entradas (+ e -).
Tensão aplicada à entrada positiva (+), ⇒ amplificação mantendo polaridade Tensão aplicada à entrada negativa (-), ⇒ amplificação invertendo polaridade
REPRESENTAÇÃO
Vp
Vn
Vo
+
-
Standard
Vo
(+)
(-)
Vp
Vn
+
-
Av(vp -vn )
Modelo Eléctrico
Amplificadores Operacionais
• História:
1ª Geração: desenvolvidos na década de 40 c/ válvulas;
2ª Geração: invenção do transistor bipolar (1948):
melhorias de características, consumo, espaço ocupado, etc;
3ª Geração: 1963, primeiro AOP em CI, µA702
(Fairchild): baixa resistência de entrada, baixo ganho, alta
sensibilidade a ruídos, etc;
1965: µA709, primeiro AOP confiável;
1968: µA741, utilizado, com o 709, até hoje;
4ª Geração: 1975, BIFET= BIPOLAR c/ JFET , LF351
(NATIONAL), CA3140 (RCA).
Amplificadores Operacionais
O AmpOp ideal
Vo
(+)
(-)
Vp
Vn
+
-
Av(vp -vn )
Zo=∞∞∞∞ ⇒⇐ Zo= 0
Impedância de entrada
Ganho Av=∞∞∞∞
Tensão de saída
Vo=Av(vp -vn )=∞∞∞∞ .0 = indeterminada
Tensão de modo comum
vp -vn =0 (curto circuito virtual)
Largura de banda ∞∞∞∞
Amplificadores Operacionais
Aplicações
Em quase todos os campos da electrónica linear e não linear e ainda em aplicações digitais.
Amplificadores lineares;Amplificadores não lineares;Comparadores;Filtros (passa baixo,passa alto, passa banda e stop banda);Aplicações logarítmicas (multiplicadores, divisores, raiz quadrada, exponenciadores);Multivibradores;Osciladores;Reguladores (tensão - série e switching; corrente; precisão, etc...);Amostradores.
Amplificadores Operacionais
O AmpOp real
14 pinos8 pinos
Amplificadores Operacionais
O AmpOp real (cont.)
Vp
Vn
Vo
+
-2
3
6
4
7
V+
V-
LM741
Ganho Av > 100Largura de banda 0,5 a 5 MHz
Slew rate 1V/µµµµs
Impedância de entrada > 108ΩΩΩΩ
Impedância de saída < 100ΩΩΩΩ
Amplificadores Operacionais
Estudo geral do Amplificador Operacional
Quando incluído num circuito o AmpOp apresenta um conjunto de elementos passivos a si associados
vp
vn
vo
-
+
Av
0 V
v-
v+
Zf
Zi-
Zi+
Zp
i -
i+ i
i -- i
i++ iAdmite-se Av= ∞
Zi = ∞
Z0 = 0
ZiZ0
Amplificadores Operacionais
Estudo geral do Amplificador Operacional(cont.)
O AmpOp apresenta um curto circuito virtual entre os terminais de entrada
v+ - v- = 0
então, porque Zi = ∞∞∞∞
i = (v + - v- )/ Zi = 0/∞∞∞∞
logo
i = 0
Condição 1
Amplificadores Operacionais
Estudo geral do Amplificador Operacional(cont.)
Condição 2
Então, pelas condições anteriores, o esquema geral do AmpOptomará a forma
É válido o princípio da sobreposição
vp
vn
vo
-
+
∆v=0
0 V
Zf
Z-
Z+
Zp
i -
i+
i -
i+
Onde: Z - - Impedância de entrada pelo terminal negativo;
Z +- Impedância de entrada pelo terminal positivo;
Zf - Impedância de realimentação (feedback);
Zp - Impedância de polarização;
i - - Corrente fornecida ao terminal negativo, e
i+ - Corrente fornecida ao terminal positivo.
Amplificadores Operacionais
Equação geral de funcionamento
Por aplicação da lei das malhas de Kirckoff
Determinemos o valor dos potenciais em jogo, em relação ao potencial(zero) de referência.
1ª malha (circulação da corrente na entrada negativa)
vn -
+
0 V
Z-
Zp
i -
i+
∆v=0
+
vn = Z-.i - + Z p.i +
Amplificadores Operacionais
Equação geral de funcionamento (cont.)
2ª malha (circulação da corrente na entrada positiva)
vp
-
+
0 V
Z+
Zp
i +
i+
+
vp = Z+.i + + Z p.i +
Amplificadores Operacionais
Equação geral de funcionamento (cont.)
3ª malha (circulação da corrente na saída)
v0 = - Z f.i- + Z p.i +
+
vo
-
+
∆v=0
0 V
Zf
Zp
i -
i+
Amplificadores Operacionais
Equação geral de funcionamento (cont.)
Da equação da segunda malha, tem-se:
i + = vp /(Z++ Z p)
Substituindo na equação da primeira malha, vem:
i - = vn /Z-- Z p /Z
-. vp /(Z
++ Z p)
Utilizando agora a equação da terceira malha, obtém-se:
v0 = - Z f. [vn /Z-- Z p /Z
-. vp /(Z
++ Z p)] + Z p. [vp /(Z
++ Z p)]
Amplificadores Operacionais
Equação geral de funcionamento (cont.)
Finalmente:
Z-
Z-
Z++Z p
v0 = - vn + (1+ ). vp
Z f Z f Z p
A que chamamos: Equação Geral de Funcionamento
Nota:
Quer o método de dedução desta equação, quer a equação propriamente
dita, podem ser utilizados para a determinação do ganho de qualquer
montagem particular.
Amplificadores Operacionais
Circuitos típicos com AmpOp’s
Amplificador inversor
vi
vo
-
+
0 V
Rf
Ri
Rp
Pela equação geral de funcionamento, notando que:
Z-=R i vn = vi
Z+= ∞∞∞∞ vp = n.a.
Zf =R f v0 = v0
Zp =R p
R i
v0 = - vi
R f
Nota: A tensão de entrada vi pelo terminal negativo é
amplificada pelo factor R f/R I sendo a tensãov0 de
valor simétrico a vi
Amplificadores Operacionais
Circuitos típicos com AmpOp’s (cont.)
Amplificador não inversor
Pela equação geral de funcionamento, notando que:
Z-=R i
-vn = 0
Z+=R i
+vp = vi
Zf =R f v0 = v0
Zp =R pvo
-
+
0 V
Rf
Ri-
Rp
vi Ri +
0 V
R i-
R i++ R p
v0 = (1+ ). vi
R f R p
Amplificadores Operacionais
Circuitos típicos com AmpOp’s (cont.)
Amplificador não inversor ….
Fazendo R i+= 0 e R p= ∞∞∞∞ vem
vo
-
+
Rf
Ri-
vi
0 V
R i-v0 = (1+ )vi
R f
Forma mais vulgar deste amplificador
Amplificadores Operacionais
Amplificador diferencial
Pela equação geral de funcionamento, notando que:
Z-= Z
+= R i
Zf = Zp = Rf
vp
vn
vo
-
+
0 V
Rf
Ri
Ri
Rf
R i
v0 = (vp - vn )R f
Se, no limite se tiver, Rf = R i , então:
v0 = vp - vn
Amplificadores Operacionais
Amplificador somador (adição e subtracção)
Tensão de saída:
vo=Av1v1+Av2v2+... +Av8v8
v5
v4
vo
-
+
0 V
Rf
R4
R5
Rp
v1R1
v2 R2
v3R3
Rn 0 V
v6 R6
R7
R8
v7
v8
Onde para as entradas pelo terminal negativo se tem:
Avj=- Rf /Rj c/ j = 1 ...4
E para as entradas pelo terminal positivo:
Avj= (1+Rf /Rx)[Rc/(Rc+Rj)] c/ j = 5 …8
Onde:
Rc = // Rm e Rx = // Rmm=5…8,p\j m=1…4,n
Trata-se dum somador/subtractor pesado
Amplificadores Operacionais
Circuitos típicos com AmpOp’s (cont.)
Adaptador de impedâncias (o seguidor de tensão)
Pela equação geral de funcionamento, notando que:
Z+= Zf = 0
Z-= Zp = ∞∞∞∞
vo=v1
Qual a utilidade?
vo
-
+vi
Zo=∞∞∞∞ ⇒⇐ Zo= 0
Adaptação/isolamento de impedâncias
Amplificadores Operacionais
Circuitos típicos com AmpOp’s (cont.)
Conversor tensão/corrente
Pela eq. GF, notando que: Z-= R s ; Z
+= 0; vn= 0
Zf = R L; Zp = ∞∞∞∞; vp= vi
R s
v0 = vi
R s+R L
como:
vi vo
-
+
0 V
Rs
RL
»
»
io
v0i0 = R s+R L
Tem-se: vii0 = R s Note-se a independência da carga
Amplificadores Operacionais
Circuitos típicos com AmpOp’s (cont.)
Conversor corrente/tensão
Pela lei das malhas tem-se:
v0 = -R f .ii
R f é, assim, o factor de conversão
vo
-
+
ii
Rf
0 V +
Amplificadores Operacionais
Circuitos típicos com AmpOp’s (cont.)
Integrador
vo
-
+
vi R
0 V
C
Pela eq. GF, notando que: Z-= R ; Z
+= ∞∞∞∞; vn= vi
Zf = 1/(Cs); Zp = 0; vp= na
v0 = - .vi1
RCs
Aplicando a transformada inversa de Laplace tem-se:
v0(t) = -RC vi(t)dt⌠⌡
s=jω
Amplificadores Operacionais
♦ Impedância de entrada e impedância de saída
♦ Ganho finito e tensões de saturação
♦ Erros de polarização: tensão e desvio (offset) e
correntes de polarização
♦ Taxa de inflexão
♦ Resposta em frequência
♦ Produto ganho largura de banda
♦ Distorção harmónica
♦ Ruído
Amplificadores operacionais reais
Amplificadores Operacionais
• Pinagem:
-
+
2
3
6
8 4
1 5 7
751/351
1 e 5 - balanceamento OFFSET
2 - entrada inversora
3 - entrada não inversora
4 - alimentação negativa (-3 V a -18 V)
7 - alimentação positiva ( 3V a 18V)
6 - Saída
8 - Não conectado
741
1 2 3 4
8 7 6 5
12 3 4
5678
Amplificadores Operacionais
• Fabricantes e Códigos do 741:
• FAIRCHILD µA741
• NATIONAL LM741
• MOTOROLA MC1741
• RCA CA741
• TEXAS SN741
• SIGNETICS SA741
• SIEMENS TBA221(741)
Amplificadores Operacionais
• Tensão de Offset de Saída
Características do projeto do AOP originam um
desbalanceamento interno que resulta numa tensão
de OFFSET de saída, mesmo quando as entradas
são aterradas. Podemos cancelar este erro ajustando
o potenciômetro da seguinte figura:
-
+
2
3
6
8 4
1 5 7
751/351
-Vcc
Offset
Sem Offset
Amplificadores Operacionais
• Saturação:
Tensão máxima de saída
Associada a alimentação
Vcc
Amplificadores Operacionais
• Ruído nos circuitos com AOP:
• origem: motores elétricos, linhas de transmissão, descargas
atmosféricas, radiações eletromagnéticas, etc;
• prevenção: melhorar a terra do circuito e equipamentos
envolvidos. Ex: condensadores de 0,1µF entre o + Vcc e o -
Vcc do AOP, o mais próximo deste.
-
+
2
3
6
8 4
1 5 7
751/351
O,1µF
O,1µF
-Vcc
+Vcc
Amplificadores Operacionais
Tipos de cápsulas do C.I.
Os principais tipos de cápsulas utilizadas para envolver e proteger os
chips são basicamente quatro:
Cápsulas com dupla fila de pinos (DIL ou DIP – Dual In Line)
Cápsulas planas (Flat-pack)
Cápsulas metálicas TO-5 (cilíndricas)
Cápsulas especiais
Enquanto as cápsulas TO-5 são de material metálico, as restantes podem
utilizar materiais plásticos ou cerâmicos.
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Cápsula com dupla fila de pinos
Para os CI de baixa potência – DIL ou DIPAs cápsulas de dupla fila de pinos são as mais
utilizadas, podendo conter vários chips
interligados.
Nos integrados de encapsulamento DIL a
numeração dos terminais é feita a partir do
terminal 1 (identificado pela marca), vai por essa
linha de terminais e volta pela outra (em sentido
anti-horário).
Durante essa identificação dos terminais o CI
deve ser sempre observado por cima.
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Circuitos Integrados de potênciaAlguns integrados de potência têm uma
cápsula extremamente parecida com a
dos transístores de potência.
Algumas observações importantes a respeito das aletas de acoplamento aos dissipadores de calor:
Aleta metálica
Dissipador de calor
As aletas podem ser fixadas a dissipadores de alumínio em método idêntico ao utilizado nos transístores de potência.
Acoplar-se as aletas à própria caixa (se for metálica) que contém o circuito.
As aletas podem ser soldadas a uma das faces de cobre do circuito impresso (no caso de uma dupla face).
As aletas, quase sempre estão ligadas electricamente por dentro do c.i., ao pino correspondente ao negativo da alimentação (massa).
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