LE - Relatório6Pratica7 - OtavioMartins

Prévia do material em texto

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS 
Curso de Bacharelado em Engenharia de Computação 
 
LABORATÓRIO DE ELÉTRICA I 
 
Relatório 6 
Aula Prática 7: Amplificadores Operacionais I 
 
 
PARTE TEÓRICA 
 
 
 
1) Definir os seguintes termos: 
 
→ Ganho de malha aberta: 
O ganho de malha aberta é a relação entre a saída e a diferença entre as tensões das entradas não-
inversora e inversora do amplificador operacional quando não há qualquer realimentação no circuito. Em um 
amp op ideal, o ganho de malha aberta é infinito. 
 
→ Razão de rejeição de modo comum (CMRR): 
O Common Mode Rejection Ratio é a capacidade da etapa inicial do amp op – o amplificador diferencial – 
de rejeitar a amplificação ocorrida por sinais de modo comum, ou seja, aqueles em fase e de mesmo 
potencial. Isso se deve à impossibilidade de se construir um amplificador diferencial perfeito, já que ele é 
composto elementarmente por dois ramos simétricos com transistores. Por isso, mesmo que seus sinais de 
entrada sejam iguais, haverá ainda uma diferença em Vout devido à sua construção. Em um amp op ideal, o 
CMRR é infinito. 
 
→ Slew rate: 
O slew rate é a velocidade de resposta de um amp op a uma variação de tensão na sua entrada. Ele é 
usualmente medido em V/μs e ajuda a definir a frequência máxima de utilização do dispositivo sem que ele 
distorça o sinal de saída. Em um amp op ideal, o slew rate é infinito. 
 
→ Faixa de passagem: 
A faixa de passagem refere-se à faixa de frequências em que o amp op foi projetado para funcionar. O amp 
op ideal teria funcionamento independente da frequência de operação, ou seja, faixa de frequência infinita. 
 
 
2) Preencher as tabelas 1 e 2 com os dados obtidos no manual do fabricante. 
 
Tabela 2 – Pinagem do Amplificador Operacional 
Pinagem 
Amp.Op. 
1 2 3 4 5 6 7 8 
LM 741 
Offset 
Null 
Entrada 
Inversora 
Entrada 
não 
Inversora 
V- 
Offset 
Null 
Saída V+ NC 
TL081 
Offset 
Null 1 
Entrada 
Inversora 
Entrada 
não 
Inversora 
Vcc- 
Offset 
Null 2 
Saída Vcc+ NC 
 
OTÁVIO AUGUSTO MARTINS 
 
Tabela 1 – Parâmetros do Amplificador Operacional 
LM741 TL081 Parâmetros 
±22V ±18V Tensão máxima de alimentação 
500 mW 680 mW Dissipação de potência 
25 mA - Corrente máxima de saída 
Na saída e na entrada Na saída Proteção contra curto circuito 
200 V/mV 15 V/mV Ganho de malha aberta 
2 MΩ 1 TΩ Resistência de entrada 
95dB 86dB Razão de Rejeição de Modo Comum (CMRR) 
75Ω - Resistência de saída 
±13V -12V até 15V Máxima tensão diferencial de entrada 
4Hz 200kHz Valor do primeiro polo (sem realimentação) 
0,5 V/μs 13 V/μs Slew Rate 
80 nA 400 pA Corrente de polarização de entrada 
20 nA 5 pA Corrente offset de entrada 
711kHz 4MHz Produto ganho x largura de banda 
±14V ±13,5V Máxima excursão do sinal de saída (swing) 
 
 
 
3) Mostrar as principais formas de polarização de um amplificador operacional: 
 
a) Utilizando fonte simétrica b) Utilizando simulação de fonte simétrica a partir de fonte única 
 
c) Utilizando fonte simples 
 
 
 
4) Mostrar como proteger um Amplificador Operacional nas seguintes situações: 
 
a) Inversão de polaridade da tensão de alimentação b) Proteção da entrada diferencial em 0,7 V. 
 
 
c) Proteção da entrada diferencial em outro valor qualquer. 
 
 
 
5) Um importante parâmetro do amplificador operacional é conhecido como Slew-Rate. Explicar o 
que é este parâmetro e como ele limita a variação do sinal de saída de um amplificador 
operacional. Comparar o LM741 e o TL081 em termos de Slew-rate. 
 
O slew rate determina o quão rápida a saída consegue variar em relação a sua entrada, ou seja, é a taxa 
máxima de variação da tensão de entrada no tempo. Essa limitação influencia diretamente no sinal de 
saída, já que limita a largura de faixa que o amp op pode operar. 
Assim, é fácil verificar que o slew rate de 13 V/μs do TL081 é muito superior ao do LM741, 0,5 V/μs. Isso se 
reflete na produto ganho x largura de banda (Gain bandwidth product ou GBP), que é de 711kHz para o 
LM741 e 4MHz para o TL081. 
 
 
 
 
 
PARTE PRÁTICA - CIRCUITO INVERSOR 
 
 
Diagrama de montagem de circuito para circuito inversor com ganho A=-10 
 
 
 
Valores dos resistores de realimentação(Rf) e de entrada(R1) e a fórmula do ganho: 
R1 = 1kΩ; Rf = 10kΩ; → A = −
𝑹𝒇
𝑹𝟏
 = -10 
 
 
Montar o circuito projetado e alimentá-lo com 15V. Aplicar à entrada do circuito um sinal contínuo com 
os níveis de tensão indicados na Tabela 3 completando-a com os valores obtidos em VO. Utilizar os 
multímetros para medição dos valores de tensão. Esboçar nos eixos abaixo a função de transferência. 
 
 Tabela 3 
VS (Volts) V0 (Volts) 
+ 2,0 -13,0 
+ 1,5 -13,0 
+ 1,0 -10,0 
+ 0,5 -5,0 
+ 0,0 0,0 
- 0,5 +5,0 
- 1,0 +10,0 
- 1,5 +13,0 
- 2,0 +13,0 
 
 
 
Comentar o comportamento observado em termos do ganho e da saturação. 
 
A relação entre Vo e Vs se mantém linear enquanto 1,3V < Vi < -1,3V, ou seja, o ganho A de -10 se 
mantém. Entretanto, quando a tensão Vi é maior que 1,3V ou menor que -1,3V, o amplificador 
operacional satura em 13V (Vsat < Vcc) e a realimentação negativa deixa de fazer efeito. 
 
 
 
Diagrama de montagem de circuito para circuito inversor com frequência de 100Hz 
 
 
Relação de fase entre VO e VS e valores do ganho: 
 = 180º → O ganho negativo é o que torna o circuito um amplificador inversor, ou seja, inverte o sinal 
de saída em relação ao de entrada. 
A = -10 → O ganho é o mesmo que anteriormente. 
 
Diagrama de montagem de circuito para sinal de entrada sendo 4V de pico a pico 
 
 
Explicar o funcionamento do sinal de saída. 
Quando a tensão Vi é maior que 1,3V e menor que -1,3V, a tensão de saída satura em +13V e -13V, 
respectivamente. É isso que acontece na forma de onda de Vo do item 12; como a amplitude da fonte 
V1 aumentou para 4V, uma parte considerável da senóide será cortada por essa não-linearidade do 
circuito. 
 
Ajustar o osciloscópio para trabalhar no modo "X-Y" e 
observar a curva de transferência. Desenhar a curva da 
função de transferência nos eixos e compará-la com a curva 
obtida anteriormente. 
A função de transferência é exatamente a mesma de 
anteriormente, já que a saturação já está prevista nela e a 
única coisa que muda é o sinal de entrada Vs. 
 
 
PARTE PRÁTICA - CIRCUITO NÃO-INVERSOR 
 
 
Diagrama de montagem de circuito para circuito não-inversor com ganho A=11 
 
 
Valores dos resistores de realimentação(Rf) e de entrada(R1) e a fórmula do ganho: 
R1 = 1kΩ; Rf = 10kΩ; → A = 
𝑹𝒇
𝑹𝟏
+ 𝟏 = 11 
 
Montar o circuito projetado e alimentá-lo com 15V. Aplicar à entrada do circuito um sinal contínuo com 
os níveis de tensão indicados na Tabela 3 completando-a com os valores obtidos em VO. Utilizar os 
multímetros para medição dos valores de tensão. Esboçar nos eixos abaixo a função de transferência. 
 
 Tabela 3 
VS (Volts) V0 (Volts) 
+ 2,0 13,0 
+ 1,5 13,0 
+ 1,0 11,0 
+ 0,5 5,5 
+ 0,0 0,0 
- 0,5 -5,5 
- 1,0 -11,0 
- 1,5 -13,0 
- 2,0 -13,0 
 
Comentar o comportamento observado em termos do ganho e da saturação. 
 
Da mesma forma que o circuito inversor, o amplificador não-inversor também opera linearmente dentro 
de uma faixa e após ela, sua saída satura. Entretanto, como o ganho agora é de A = 11, para que a 
saída sature, basta que 1,18V < Vi < -1,18V. 
Visat = |Vsat|/A = 13 / 11 = 1,18V 
 
Amplitude de pico a pico do sinal de saída (Vo) e do sinal de entrada (Vs), relação de fase entre 
VO e VS e valores do ganho: 
VS = 1V; V0 = 11V; A = 
𝑽𝟎
𝑽𝑺
 = 11;  = 0º 
 
 
Diagrama de montagem de circuito para circuito não-inversor com frequência de 100kHz 
 
 
 
Explicar o que aconteceu em função de slew-rate. 
 
O sinal de saída se deformou porque a frequência do sinal de entrada foi aumentada, em termos 
absolutos, para uma em que o amplificador operacional não foiprojetado para funcionar corretamente. 
Conforme notado anteriormente, o parâmetro que delimita essa largura de faixa é o slew rate, que diz 
que o sinal de entrada só pode variar um certo valor por tempo. 
 
 
 
 Forma de onda de montagem de circuito para circuito não-inversor com frequência de 100mHz 
 
Explicar as diferenças encontradas. 
O sinal de saída volta a ser uma senóide, mas, ainda devido à limitação do slew rate, ele continua 
defasado em relação ao sinal de entrada. 
 
 
 
 
PARTE PRÁTICA - CIRCUITO SEGUIDOR DE TENSÃO (BUFFER) 
 
 
Diagrama de montagem de circuito para circuito não-inversor com ganho A=11 
 
 
As formas de onda estão, sim, dentro do esperado. No osciloscópio, é possível vê-las 
sobrepostas. Isso ocorre porque o circuito seguidor tem ganho A=1. 
 
 
 
 
 
QUESTÕES 
 
1) Tomando como base o circuito não inversor projetado na aula prática, o que aconteceria 
caso o resistor R1 tivesse um valor ? Simular a nova configuração do circuito e fazer uma 
análise teórica do mesmo. 
 
Tendo o R1 com valor infinito (para a simulação foi utilizado o valor de 999TΩ), o ganho do 
amplificador operacional se iguala a 1 e, assim, as duas ondas ficam sobrepostas, exatamente 
como no circuito seguidor. 
 
 
 
 
2) Introduzir um resistor de 10 k na entrada e na malha de realimentação do circuito 
seguidor de tensão. Comentar teoricamente o comportamento do novo circuito. Simular 
este circuito e o circuito seguidor visto nesta aula comparando os resultados obtidos. 
 
As formas de onda do novo circuito são similares às do circuito seguidor original. Isso pelo fato de 
não passar corrente nos resistores acrescentados, pela alta impedância de entrada do 
amplificador operacional. Assim, pode-se inferir que eles não trazem nenhum efeito prático ao 
circuito. 
 
 
3) Tirar conclusões a respeito dos circuitos estudados nesta aula, comparando seu 
comportamento prático com o comportamento teórico já estudado. Quais as principais 
diferenças de comportamento? 
 
Foi notado alguns parâmetros de amplificadores operacionais reais que são muito importantes na 
prática, como o slew rate, a largura de banda de operação, o CMRR e o GBP. 
Eles devem sempre ser levados em consideração no desenvolvimento de um projeto analógico 
dessa natureza e não são decisivos nos amplificadores operacionais ideais, que são vistos nos 
estudos teóricos. 
 
 
 
 
 
SIMULAÇÕES 
 
1) Simular o circuito não inversor com o resistor da malha de realimentação R1=. 
Apresentar as formas de onda de tensão de entrada e de saída comentadas. 
 
Já apresentado na resposta da questão 1. 
 
 
2) Simular um circuito não inversor com o resistor da malha de realimentação Rf curto-
circuitado. Apresentar as formas de onda de tensão de entrada e de saída comentadas. 
 
A forma do circuito não-inversor com o resistor Rf curto-circuitado é idêntico ao apresentado na 
questão 1, já que é realizado o mesmo processo, transformando o ganho em 1: A = 
𝟎
𝑹𝟏
+ 𝟏 = 1 
 
 
3) Montar em um simulador um circuito não inversor com ganho 11 utilizando um 
amplificador operacional com alto slew rate, por exemplo o TL081. Simular o procedimento 
do item 25 e comparar com os resultados obtidos na prática. 
 
A deformação do sinal, observado anteriormente, não ocorre novamente, já que o slew rate do 
TL081 é maior que o do LM741, o que permite que ele funcione em frequências maiores.