Capítulo 025

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Introdução aos amplificadores Operacionais
O grande objetivo dos investigadores no campo da eletrônica é conseguir realizar operações cada vez mais complexas no menor espaço possível e com o mínimo custo; daí que começassem a usar os circuitos integrados, isto é, circuitos muito pequenos onde todos os componentes que os formam se encontram muito juntos e num espaço muito reduzido. Um dos componentes mais importantes deste tipo de circuitos é o amplificador operacional. Se a qualquer engenheiro eletrônico perguntássemos qual é o elemento mais importante, mais utilizado ou mais útil dos que existem atualmente, além evidentemente dos básicos, como resistores, capacitores, indutores e transistores, provavelmente diria que os amplificadores operacionais, A.O.(Op-Amp). 
O desenvolvimento deste tipo de amplificadores durante a década de 60, junto com o grande avanço tecnológico na fabricação de sistemas integrados conseguiu que, na atualidade, disponhamos de amplificadores operacionais com uma grande margem de fiabilidade, compactos e de muito fácil utilização.
Atualmente, ao invés de se desenhar um amplificador perfeitamente detalhado com as suas etapas individuais a base de dezenas de componentes, se costuma desenhar um circuito com uns quantos amplificadores operacionais encapsulados e uns poucos elementos básicos, tais como resistores, capacitores, diodos e algum outro componente que pudesse necessitar. Com isto se conseguem inumeráveis vantagens: em primeiro lugar uma maior simplicidade no desenho, outra vantagem é que as principais características de um amplificador, como são o seu ganho e a sua resposta em frequência, são controladas com precisão mediante elementos passivos estáveis (por exemplo resistores, capacitores ou diodos). 
Além disso as técnicas de realimentação se podem aplicar ao operacional sem nenhum problema, para evitar assim comportamentos não lineares (ruídos, distorções) perante variações consideráveis de temperatura, de frequência ou inclusive variações de outros amplificadores. O tamanho final do circuito é outra vantagem que apresentam os amplificadores construídos com operacionais, dado que estes se podem encontrar na atualidade perfeitamente encapsulados, reduzindo assim o espaço que ocupariam outros componentes. 
Por último, indicaremos como vantagem a alta fiabilidade que apresentam estes amplificadores evitando assim o processo de provas iniciais e medições com o fim de determinar as características finais do circuito. 
Existem dois métodos básicos na fabricação amplificador operacional, (A.O.), em forma discreta ou integrados. Para realizá-los mediante forma discreta há que reunir todos os elementos necessários para a sua construção (transistores, resistores) e montá-los num pequeno circuito impresso. Este circuito fica encapsulado saindo para fora apenas as ligações necessárias para o seu funcionamento. Neste tipo de amplificadores os transistores utilizados podem ser tanto BJT como FET. 
Na fabricação de amplificadores operacionais de forma integrada se segue um delicado processo mediante a técnica de circuitos híbridos de filme fino, filme grosso e/ou técnicas de circuitos integrados monólitos. 
O amplificador operacional se representa nos circuitos com um triângulo do que saem três terminais. Isto não quer dizer que um A.O. somente tenha três ligações mas que os seus três terminais principais (dois para a entrada e um para a saída) são os únicos que se desenham. 
Além destes terminais principais, outros de um amplificador operacional podem também fornecer ligação para a compensação da resposta em frequência e uma rede de compensação do deslocamento de corrente contínua. 
Desenho de um A.O.
O amplificador operacional é o resultado de um longo período de investigação e provas sobre circuitos mais ou menos complicados. O fato deste tipo de amplificador ter tido tanta transcendência na eletrônica moderna se deve às numerosas vantagens que já enumeramos. Não obstante, como parece lógico, não existe um único tipo de amplificadores operacionais com o mesmo número de componentes e as mesmas ligações, mas há vários modelos com melhores ou piores características. A maioria dos amplificadores operacionais disponíveis no mercado na atualidade possuem uma configuração em cascata denominada habitualmente amplificadores operacionais de duas etapas. Isto é devido ao fato de que das quatro etapas que o compõem, apenas duas delas contribuem à amplificação do sinal propriamente dito. 
Ao princípio, estes tipos de amplificadores se usavam para realizar toda classe de operações matemáticas, daí o seu nome de amplificadores operacionais, como depois veremos; mas em breve se descobriram outras aplicações muito mais importantes, embora continuaram mantendo o nome. Entre estas novas aplicações dadas a estes amplificadores cabem destacar as seguintes: amplificadores de sinais, transformadores de impedâncias, reguladores de tensão, comparadores, filtros ativos, etc. 
Características de um amplificador operacional
Um amplificador operacional é um conjunto muito complexo de resistores, diodos, transistores, etc. Não vamos destacar a sua constituição e vamos centrar nas suas propriedades, dada a importância destas. 
Se consideramos o amplificador operacional como um amplificador operacional ideal teríamos um circuito capaz de produzir um ganho em tensão infinita, uma impedância de saída igual a zero, uma impedância de entrada infinita, uma largura de banda infinita e uma grande facilidade para poder governar o ganho que obtenhamos mediante um resistor externo que atua como laço de realimentação entre a entrada e a saída. Todas estas propriedades são impossíveis de conseguir, dado que, como dissemos ao princípio, são ideais, mas quanto mais se aproxime a elas um circuito amplificador melhor vai ser o seu funcionamento. 
A importância do amplificador operacional está em que se aproxima muito a todas elas. É capaz de obter um ganho de tensão muito alto, embora não infinito, a sua impedância de saída é muito baixa ao passo que a de entrada é muito elevada, a largura de banda é bastante grande e, por último, podemos conseguir regular bastante bem o ganho mediante resistor de realimentação. Considerar o amplificador operacional como um amplificador ideal é uma técnica muito habitual, dado que assim é muito mais simples obter resultados nos diferentes circuitos nos que se utiliza, produzindo-se um erro muito pequeno em relação aos que obteríamos se não considerássemos o amplificador como ideal mas tratássemos de realizar as suas medidas exatas. 
O amplificador operacional converteu-se num dos elementos mais importantes hoje em dia dentro da eletrônica moderna devido às suas vantagens: simplicidade, fiabilidade, baixo preço, reduzido espaço, inumeráveis aplicações e propriedades quase ideais como amplificador. 
Um amplificador se representa dentro do esquema de um circuito por um "triângulo" no que entram dois terminais que são as duas entradas: uma positiva, chamada entrada não inversora e a outra negativa, ou entrada inversora, e do que sai um terminal que se toma como saída do circuito. A saída do circuito amplificador operacional vai estar amplificada respeito às duas entradas, podendo estar em fase com elas, o que se chamaria circuito não inversor, ou defasado, sendo então um circuito inversor. Por outra parte, devido ao fato da impedância de entrada ser muito elevada, não vai circular corrente do terminal de entrada positivo ao negativo e, portanto, ambos os terminais vão ter a mesma tensão. 
Aplicações dos A.O.
Há muitas aplicações dos amplificadores operacionais relacionadas com as operações matemáticas (soma, subtração, diferenciação, etc.), embora também há muitas outras que não têm nada que ver com as operações e são muito mais importantes. 
O primeiro que vamos analisar é o circuito amplificador inversor. É um circuito quealém de amplificar o sinal de entrada o inverte, isto é, o sinal de saída está defasado 180º com o de entrada. O circuito inversor mais simples está formado por um A.O. ideal, que tem uma entrada ligada à terra, a positiva, pelo que a outra entrada, a negativa, também vai estar em terra, ao ser infinita a impedância de entrada. Tem dois resistores, um entre o sinal de entrada e uma das entradas, a negativa, e a outro entre o sinal de saída e a entrada negativa, sendo este último resistor o encarregado de realizar a realimentação. Para que isto funcione, as correntes que vão ao amplificador operacional se têm que anular, pelo que vão ser iguais e com diferente sinal. Portanto, a tensão de saída vai estar invertida respeito à de entrada, e vai estar amplificada mais ou menos, dependendo da relação que haja entre os dois resistores. Se os dois resistores são iguais, o circuito se vai comportar como um simples inversor e a tensão de entrada e a tensão de saída, serão iguais em amplitude mas estarão defasadas 180º.
Amplificador não inversor
Há vezes que é necessário que o sinal de saída esteja amplificado com respeito ao de entrada e que, além disso, ambos se encontrem em fase. Neste tipo de casos vamos usar um amplificador não inversor. 
Considerando o amplificador operacional como ideal, a tensão das duas entradas vai ser igual devido ao fato da impedância de entrada ser infinita. Operando com as duas 
correntes que chegam à entrada negativa, obtemos que o sinal de saída está amplificado respeito ao de entrada, e além disso tem a mesma fase. Um caso especial é quando não colocamos nenhum resistor. A tensão de entrada e a tensão de saída vão ser iguais em amplitude e em fase. A este tipo de circuitos se denomina seguidor de tensão, dado que as tensões de entrada e de saída são iguais. Nestes circuitos temos uma elevada impedância de entrada e uma baixa impedância de saída pelo que se usam como etapas intermediárias para realizar acoplamentos de impedâncias. 
Somador e subtrator
Com os amplificadores operacionais podemos conseguir que o sinal de saída seja a soma de vários sinais de entrada com a mesma fase que eles ou defasado. Isto será conseguido usando um somador, que pode ser inversor ou não inversor. 
 Vejamos primeiramente o A.O. ideal que se comporta como um somador inversor, isto é, o sinal de saída está defasado com o de entrada. Como no caso do inversor simples um dos terminais de entrada está à terra e se consideramos o caso de um A.O. ideal, o outro terminal de entrada vai ser também 0 volts. Agora a tensão de saída vai ser proporcional à soma de todas as tensões de entrada, isto é, vai ser a soma de todas e além disso esta soma vai estar amplificada e defasada 180º respeito às tensões de entrada. Se queremos que a saída corresponda "exatamente" à soma dos sinais de entrada em valor, temos que pôr todos os resistores iguais. Assim, o sinal de saída não estará amplificado respeito à soma dos de entrada. 
Podemos conseguir que o sinal de saída não esteja defasado com os de entrada, para isso usamos um somador não inversor. Está baseado nos circuitos não inversores simples. Onde um dos sinais de entrada está ligado à terra mediante um resistor. Ao não haver queda de potencial entre as entradas do A.O., ambas vão ser iguais, e vamos obter à saída um sinal proporcional à soma das tensões de entrada e em fase com elas.
Outro tipo de circuito operacional é o subtrator. Neste circuito o sinal de saída vai ser proporcional à soma das entradas que se aplicam a um dos terminais de entrada menos a soma das entradas que se aplicam ao outro terminal de entrada. Entre cada uma das tensões que ligamos e os terminais de entrada se encontrará um resistor. Vamos ter outro resistor para re-alimentar a saída a uma das entradas, à entrada negativa. E outro resistor entre a entrada positiva e uma tomada de terra. Se todas estes resistores são iguais, a saída é "exatamente" igual à soma das tensões de entrada aplicadas à entrada positiva menos a soma das aplicadas à entrada negativa. Este tipo de circuitos é uma mistura dos somadores que acabamos de ver e o circuito diferencial que analisaremos agora. 
A.O. diferencial e A.O. diferenciador 
Outro tipo de circuito que podemos formar com um A.O. é o chamado circuito diferencial. A tensão de saída que vamos obter com ele vai ser proporcional à diferença de duas tensões de entrada depois de atravessar o amplificador operacional. O circuito tem duas tensões com dois resistores intermediários ligados aos terminais de entrada. Uma realimentação da saída por meio de outro resistor e um último resistor que separa a uma das entradas de uma tomada de terra. Como sempre, consideraremos que o amplificador operacional é ideal; com o circuito de resistores que lhe acoplamos vamos conseguir que a saída seja proporcional à diferença dos dois sinais de entrada. Se todos os resistores que colocamos são iguais a saída vai ser exatamente igual à diferença das tensões de entrada e não vai haver nenhum fator de proporcionalidade. 
Outra das operações que se podem conseguir com um circuito operacional é a derivada.
Denomina-se o circuito que consegue esta operação de circuito diferenciador. Colocamos um capacitor entre um dos terminais de entrada, o negativo, e a tensão de entrada. E o outro terminal de entrada está ligado à terra. Também temos a saída realimentada com um resistor à entrada negativa. A tensão de saída vai ser proporcional à derivada da tensão de entrada. 
Circuito logarítmico e circuito integrador 
Outras muitas operações que se podem realizar são a multiplicação, divisão e potenciação. Podemos conseguir realizar estas operações com um amplificador logarítmico, que consiste em ligar um diodo como laço de realimentação entre a saída e a entrada negativa. Este circuito vai ser como o amplificador inversor, mas substituindo o resistor de realimentação por um diodo. Aproveitamos as propriedades da união P-N, que se comporta como uma curva logarítmica, e conseguimos que a tensão de saída seja um logaritmo da de entrada graças ao diodo que ligamos. Para realizar operações como a multiplicação, divisão e potenciação se usa a função logaritmo que conseguimos com estes circuitos e ficam reduzidas a somas, subtrações, multiplicações e divisões. 
Se colocamos um capacitor como laço realimentador entre a saída e a entrada negativa do amplificador operacional e ligamos a outra entrada à terra podemos conseguir uma operação matemática chamada integração. Este circuito se denomina amplificador integrador e conseguimos que a tensão de saída seja proporcional à integral da tensão de entrada. 
Todas as aplicações, vistas até agora, dos amplificadores operacionais são aplicações próprias a realizar operações matemáticas; no entanto, as principais aplicações dos A.O. hoje em dia são amplificadores de sinais, transformadores de impedância, filtros ativos, etc. 
Adaptado do “curso de eletrônica” da Editora F&G S.A (1995)
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Se realimentamos um amplificador operacional conseguimos melhorar muito o desempenho.
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Um circuito inversor obtém à saída o sinal amplificado, mas desfasado em relação àentrada.
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Circuito diferencial.
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Circuito logarítmico
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Circuito integrador.
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Configuração de um amplificador operacional de duas etapas.
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Circuito diferenciador.
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Somador inversor.
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Somador não inversor.
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Circuito subtrator.
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O amplificador não inversor obtém a saída amplificada e em fase com a entrada.
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Este é o símbolo que se utiliza para representar um amplificador operacional.
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Um amplificador operacional pode estar formado por várias etapas em cascata.
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Um amplificador operacional é um circuito integrado de dimensões muito reduzidas.