Amplificadores_operacionais_II_v4_2022-1

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Amplificadores operacionais
Aplicações
Aula anterior - revisão
Definições básicas
Terminologia, símbolo e encapsulamento
Descrição básicas
Duas entradas
Ganho A (elevado)
Saída = Diferença das entradas x ganho
Tensão de offset (entrada e saída)
Características de um ampop (ideal)
Resistência de entrada infinita
Resistência de saída nula
Ganho de tensão
Resposta em frequência
Sensibilidade à temperatura
Aula anterior - revisão
Alimentação simétrica
Modos de operação
Sem realimentação
Com realimentação positiva
Com realimentação negativa
Controle do ganho de tensão em malha fechada
Ckt estável
Curto-circuito virtual e terra virtual
IB1 = IB2 = 0
Vb = Va
Ckts com AmpOp em malha aberta ou com realimentação positiva não apresentam propriedades de curto-circuito virtual ou de terra virtual
Aula anterior - revisão
Slew-rate
 ou 
Saturação
Ckts lineares básicos - aplicações
Um ckt com AmpOp é linear quando o mesmo opera como amplificador
Sem realimentação x Real. Positiva x Real. Negativa
Considerando o ckt linear, pode-se aplicar:
Leis de Kirchhoff
Teorema da superposição
Teorema de Thèvenin
Amplificador inversor
Pela Lei de Kirchhoff das correntes:
I1 = I2 + I-
Para o ampop ideal
I- = 0 e I+ = 0  I1 = I2
Curto virtual  Vb = Va = 0
Mas quem é I1?
  
  
Como I1 = I2
  
Sinal negativo  defasagem de 180º do sinal de saída em relação à entrada - Inversor
R1
R2
Amplificador inversor
Característica importante: o valor do ganho de tensão é dado apenas pela relação entre as resistências R1 e R2
O ganho de tensão Av independe das características do Ampop
Controle do ganho de malha fechada através da Real. Negativa
Impedância:
Desvantagem: impedância de entrada (Zi) determinada unicamente por R1
Amplificador não-inversor
Considerando o ampop ideal e empregando a técnica do curto-virtual
Pela LKC:
I1 = I2 (pois I- = 0)
Calculando I1 e I2 pela lei de Ohm
Pelo curto virtual:
Va = Vb
Como:
 Vb = Ve Va= Ve
Substituindo:
 
 ...
  
Amplificador não-inversor
Assim como o inversor, o ganho de tensão é função apenas dos resistores externos
O ganho de malha fechada pode ser controlado pelo circuito de realimentação negativa
Não apresenta defasagem do sinal de saída em relação à entrada
Impedância:
 
	(0 ≤ B ≤ 1)
Idêntica à utilizada pelo amp. Inversor
Representa a fração do sinal de saída que é realimentada na entrada inversora do AmpOp 
Amplificador somador
Vamos considerar o ampop ideal e empregar o conceito de curto-circuito virtual
Ampop ideal: A ≅ ∞ e I- = 0 e I+ = 0
1 entrada  amplificador inversor
Pela LKC:
I1 + I2 + I3 + In = I
Pela lei de Ohm:
 
Amplificador somador
 . . .+ 
Aplicando a técnica de curto-circuito virtual para as entradas Va e Vb:
Va = Vb = 0 Va comporta-se com um terra virtual
 
 
Ou
A saída é uma soma ponderada das tensões de entrada
Esse é o circuito amplificador somador
No caso de apenas uma entrada temos o amplificador inversor
Utilização do resistor de equalização: minimizar a tensão de offset
Paralelo dos resistores envolvidos: R1//R2//R3//Rn//RF
Amplificador somador
Análise:
Casos particulares:
Se R1 = R2 = R3 = RF
Se R1 = R2 = R3 = Rn = 4RF
 
Nesses casos os ckt fornece a média aritmética (em valor absoluto) do sinais aplicados.
		
Seguidor de tensão (Buffer)
R1= 
R2= 0
R1=
Seguidor de tensão (Buffer)
Exemplo: amplificador com ganho de -10
Gerador
Seguidor de tensão (Buffer)
Exemplo: amplificador com ganho de -10
Seguidor de tensão (Buffer)
Se no amp. não-inversor fizermos: R1 = ∞ (ckt aberto) e Rf = 0 (curto)
Configuração denominada seguidor de tensão ou buffer
Altíssima impedância de entrada e uma baixíssima impedância de saída
Apresenta características próximas das ideais
Seguidor de tensão (Buffer)
Aplicações:
Isolador de estágios 
Reforçador de corrente
Casador de impedâncias
Apresenta características mais próximas dos ideais - Zif e Zof
Amplificador diferencial ou subtrator
Análise 1:
Aplicando a LKC em “a”
I1 = I2 + I- (como I- = 0)  I1 = I2
	
	 + 
	 + ) 	
Aplicando a LKC em “b”
I3 = I4 + I+ (como I+ = 0)  I3 = I4
	 
 	
Amplificador diferencial ou subtrator
Pelo curto circuito virtual...Va = Vb
	 = 
Isolando Vo:
	 = + 
	 ) - 
	 ) - 
Fazendo R4/R3 = R2/R1 (ou R4 = R2 e R3 = R1)
Obtemos
		
Se obtém na saída uma tensão igual à diferença entre os sinais aplicados, multiplicada pelo ganho.
Possui inúmeras aplicações na área de instrumentação
A tensão de saída é proporcional à diferença entre as tensões de entrada (Ve1 – Ve2) e qualquer outro sinal comum às duas entradas não é amplificado, ou seja é rejeitado.
Constantes de proporcionalidade é dada pela razão R2/R1
Amplificador diferencial ou subtrator
Limitações:
Baixa impedância de entrada
Determinada pelas resistências de entrada
Aumentar os valores das resistências, causa problema de offset
que desbalanceará o circuito.
Difícil ajuste de ganho do tensão
O ajuste só pode ser conseguido pela variação dos resistores de 
realimentação. Pode comprometer a igualdade da relação das resis-
tências.
As impedâncias vistas por V1 e V2 são diferentes
Amplificador diferencial ou subtrator
Análise 2 (superposição)
 
Razão de rejeição de modo comum (CMRR)
Equação do amp. diferencial
	
	 quando 
Ocorre para ampop ideal
O que aconteceria se existisse
uma fonte qualquer de ruído próxima 
ao circuito?
R. Sinais indesejados de mesma fase e amplitude afetariam os terminais de entrada, se sobrepondo aos sinais aplicados na entrada.
Esses sinais indesejados seriam amplificados caso não existisse o CMRR – importante característica do amplificador!!!
Razão de rejeição de modo comum (CMRR)
Definindo:
CMRR é a propriedade de um AmpOp rejeitar (atenuar) sinais idênticos aplicados, simultaneamente, nas entradas do AmpOp (sinal de modo comum).
Ilustração da propriedade CMRR
Ruído de 60Hz eliminado na saída
Razão de rejeição de modo comum (CMRR)
Equação do amp. diferencial
	
Com 	 (ganho diferencial)
	
Consideremos a situação
V1 = V2 = Vc
Vc tensão de modo comum
	
Ac ganho de modo comum
Razão de rejeição de modo comum (CMRR)
Com as duas equações...
	
	
...estabelecemos um fator que permite dar um valor numérico a CMRR
AmpOp ideal  Ac = 0 .·. ρ tende a infinito
Na Prática o AmpOp de alta qualidade apresenta um valor elevado para ρ (mínimo 100db)
Amplificador de instrumentação
São amplificadores de diferença – 2 sinais de entrada
Muito utilizado em sistemas de instrumentação – processos industriais
sensores que saída analógica de baixa magnitude uV, mV
Ex. Controle de nível em um tanque com temperatura elevada
Problemas:
Ruído eletromagnético
Diferença entre os “terras” do ckt de condicionamento e do sensor
Necessidades do ckt de condicionamento
Alta impedância de entrada – evitar efeito de carga
Alta CMRR –
Eliminar o ruído eletromagnético comum aos 2 fios
Eliminar a flutuação de terra
Alto ganho – sensor com tensão diferencial de baixa amplitude
Amplificador de instrumentação
Amplificador de instrumentação
São amplificadores de diferença – 2 sinais de entrada
Não idealidade do amplificador de diferenças
Vo é dado pela relação R2/R1 multiplicado pela diferença entre as duas entradas
	 com R4 = R2 e R3 = R1
Amplificador de instrumentação
Deficiências do amplificador de diferenças
Baixa impedância entrada
Variação do ganho – variar a resistência aos pares
Difícil manter o CMRR baixo – depende do casamento entre as resistências R2 - R4 e R1 – R3
Amp. Diferenças – bastante importante, mas deficiente...
Solução: Amplificador de instrumentação!!!
Amplificador de instrumentação
Vo
Amplificador de instrumentação
Subtrator
Est. intermediário
Vo
2 ckts não-inversor
Amplificador de instrumentação
VA
VB
Vo
Subtrator
Amplificador de instrumentação
Definindo VA e VB
Como as correntes de entrada do ampop são nulas:
Traçamosa corrente que circula de VA a VB
Pelo curto virtual as tensões nos nós 1 e 2 são V1 e V2
Corrente sobre a resistência RG:
Como a corrente é a mesma:
VA
VB
VA
VB
1
2
I
Amplificador de instrumentação
Definindo VA e VB
Manipulando...
Mas queremos VB – VA...Pois aparece no amp. Subtrator...
Substituindo na eq. do subtrator:
VA
VB
VA
VB
1
2
I
Amplificador de instrumentação
2 elementos de ganho:
Do estágio intermediário
Do subtrador
Temos liberdade para definir o ganho
Apesar de ter que casar R, R2 e R3 (problema), se quisermos ajustar o ganho, basta alterar RG, pois alteramos toda a cadeia
Ou seja, temos um único elemento para ajustar o ganho
Amplificador de instrumentação
Características:
Impedância de entrada infinita - ()
Alto ganho – temos 2 estágios de ganho
Ajuste de ganho simplificado – apenas o RG
MAS...ainda há a necessidade de casamento de resistores - CMRR depende disso!!!
Amp. Instumentação comercial
Casamento elevado entre os resistores
CMRR projetada
Caros $$$
Montagem simples – apenas alguns componentes
Amplificador de instrumentação
Características:
Impedância de entrada infinita - ()
Alto ganho – temos 2 estágios de ganho
Ajuste de ganho simplificado – apenas o RG
MAS...ainda há a necessidade de casamento de resistores - CMRR depende disso!!!
Amp. Instumentação comercial
Casamento elevado entre os resistores
CMRR projetada
Caros $$$
Montagem simples – apenas alguns componentes
Amplificador de instrumentação
Bloco 2: amplificador de diferenças
 com R4 = R2 e R3 = R1 
Bloco 1: configuração não-inversora
Impedância de entrada muito elevada – um AmpOp não inversor para cada entrada
Assim:
  um para Vo1 e outro para Vo2
Para saída do amplificador:
Vantagens: 
Primeiro estágio: impedância de entrada alta e algum ganho
Na saída um ganho dado por R4/R3
Ganho diferencial elevado (Ad)
Ad
Amplificador de instrumentação
Símbolo usual para os AmpOps de instrumentação
Amplificador de instrumentação
Análise:
Altíssima impedância de entrada – estágios não inversores colocados em suas entradas
Ganho de malha fechada (Avf) controlador por um potenciômetro de precisão externo. Ex.: LH 0036 permite um ajuste que varia de 1 a 1000 (há faixas maiores).
Necessidade de se reduzir a largura de faixa – evitar sinais de alta frequência. Ex.: LH0036 dispões de um recurso externo para reduzir o BW
Não confundir 
com o ganho de
Malha aberta!!!
Avo – dado pelo
fabricante
Amplificador de instrumentação
Tipo especial de AmpOp que possui características especiais como:
Resistência de entrada extremamente alta
Resistência de saída menor que os AmpOps comuns
CMRR superior a 100db
Ganho de tensão em malha aberta muito superior aos dos AmpOps comuns
Tensão de offset de entrada muito baixa
Drift extremamente baixo
Difícil de atender a todas características simultaneamente – verificar o fator crítico do projeto. 
Ex.: ganho de malha aberta, impedância de entrada, slew-rate, largura de faixa etc.
Normalmente utilizados em controle de processos industriais
Ajuste de tensão de offset: 
alguns AmpOps possuem pinos para o ajuste
Outros, ajuste externo através de uma rede resistiva