Aula_11__Amplificadores_Operacionais_Ideais

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<p>EELI10 – ELETRÔNICA BÁSICA I</p><p>Prof: Geovane Luciano dos Reis</p><p>Email: geovanereis@Unifei.edu.br</p><p>Universidade Federal de Itajubá – Campus Itabira Engenharia Elétrica/ICT</p><p>Aula 11: Amplificadores Operacionais</p><p>Introdução</p><p>2</p><p>Os terminais do AOP</p><p>▪ Três terminais</p><p>▪ 1 e 2 de entrada</p><p>▪ 3 de saída</p><p>▪ Alimentação cc simétrica</p><p>▪ Terminais 4 e 5</p><p>▪ Tensão de referência é o terra da fonte</p><p>simétrica</p><p>3</p><p>Características de um AOP</p><p>4</p><p>▪ Um AOP é um amplificador multiestágio com entrada diferencial</p><p>cujas características se aproximam das de um amplificador ideal.</p><p>▪ Resistência de entrada infinita;</p><p>▪ Resistência de saída nula;</p><p>▪ Ganho de tensão em malha aberta infinito;</p><p>▪ Resposta em frequência infinita ( CC a infinitos Hertz);</p><p>▪ Insensibilidade à temperatura(isto é, drift nulo).</p><p>Aplicações de um AOP</p><p>5</p><p>▪ É muito difícil enumerar a totalidade das aplicações desse fantástico</p><p>componente denominado Amplificador Operacional.</p><p>▪ De modo geral, podemos dizer que suas aplicações estão presentes</p><p>nos sistemas eletrônicos de controle industrial, na instrumentação</p><p>industrial, na instrumentação médica (eletromedicina ou</p><p>bioeletrônica), nos equipamentos de telecomunicações, nos</p><p>equipamentos de áudio, nos sistema de aquisição de dados, etc.</p><p>▪ É um equipamento muito versátil.</p><p>Funcionamento básico de um AOP</p><p>6</p><p>▪ O AOP possui duas entradas e uma saída, que possui um valor</p><p>múltiplo da diferença entre as duas entradas. O fator AV é o ganho de</p><p>tensão do Amplificador Operacional, ou seja, a relação entre a tensão</p><p>de entrada diferencial e a de saída do dispositivo:</p><p>▪ Supondo que AV= 100000, temos:</p><p>▪ 𝑉0 = 100000 × 4,75 × 10−3 − 4,80 × 10−3</p><p>▪ 𝑉0 = −5𝑉</p><p>𝑉0 = 𝐴𝑉 × 𝑉+ − 𝑉−</p><p>Conceito de Amplificador Diferencial</p><p>7</p><p>▪ Supondo idealmente o circuito simétrico, os transistores Q1 e Q2 idênticos,</p><p>podemos observar que a tensão de saída Vo será diretamente proporcional à</p><p>diferença entre as tensões de entrada V1 e V2, o que faz com que a tensão de saída</p><p>seja zero quando V1=V2</p><p>▪ Idealmente, a tensão de saída do amplificador diferencial da figura deveria ser nula</p><p>quando V1=V2=0. Todavia, devido às diferenças existentes nas características de Q1</p><p>e Q2, tem-se um desbalanceamento das correntes no circuito e,</p><p>consequentemente:</p><p>VBE1 ≠ VBE2</p><p>𝑉𝑖(𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡) = 𝑉𝐵𝐸1 − 𝑉𝐵𝐸2</p><p>Vo</p><p>Conceito de Amplificador Diferencial</p><p>8</p><p>▪ A diferença, em módulo, entre esses valores de VBE é denominada “Tensão de</p><p>Offset de Entrada”, e será representada por Vi(offset):</p><p>▪ Essa tensão de offset de entrada age como um sinal diferencial aplicado nas</p><p>entradas do AOP e produz uma tensão diferencial na saída (proporcional ao ganho</p><p>A) do mesmo. Essa tensão de saída é denominada “Tensão de Offset de Saída” (ou</p><p>tensão de erro de saída) e será representada por VO(offset).</p><p>▪ Em circuitos de alta precisão, é necessário minimizar ou eliminar essa tensão de</p><p>erro na saída do dispositivo.</p><p>𝑉𝑖(𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡) = 𝑉𝐵𝐸1 − 𝑉𝐵𝐸2</p><p>Introdução OP AMP 741</p><p>9</p><p>Características do AOP</p><p>▪ Amplificar a diferença entre os sinais aplicados nos terminais de</p><p>entrada</p><p>sendo em v1 e v2 as tensões entre os terminais 1 e 2 para o terra,</p><p>respectivamente</p><p>10</p><p>Características do AOP</p><p>▪ Amplificar a diferença entre os sinais aplicados nos terminais de</p><p>entrada</p><p>sendo em v1 e v2 as tensões entre os terminais 1 e 2 para o terra,</p><p>respectivamente</p><p>11</p><p>Características do AOP</p><p>▪ Corrente de entrada i1 e i2 são iguais a zero</p><p>▪ Impedância de entrada é supostamente infinita</p><p>▪ Terminal de saída é assumido como uma fonte de tensão</p><p>▪ Sempre</p><p>independente da corrente</p><p>drenada pela carga</p><p>▪ Impedância de saída é</p><p>supostamente zero</p><p>12</p><p>Características do AOP</p><p>▪ Terminal de entrada inversora</p><p>▪ O sinal de saída está defasado com a entrada 1 (negativa (-))</p><p>▪ Terminal de entrada não inversora</p><p>▪ Em fase com a entrada 2 (positiva (+))</p><p>13</p><p>Características do AOP</p><p>▪ Rejeição de modo comum</p><p>▪ Caso os sinais v1 e v2 sejam iguais a saída v3 é igual a zero</p><p>▪ Idealmente infinita</p><p>▪ Ganho diferencial é A</p><p>▪ Em malha aberta é infinito</p><p>▪ Permanece constante da</p><p>frequência zero até infinito</p><p>(faixa de passagem infinita)</p><p>14</p><p>Características do AOP</p><p>▪ Rejeição de modo comum</p><p>▪ Caso os sinais v1 e v2 sejam iguais a saída v3 é igual a zero</p><p>▪ Idealmente infinita</p><p>▪ Ganho diferencial é A</p><p>▪ Em malha aberta é infinito</p><p>▪ Permanece constante da</p><p>frequência zero até infinito</p><p>(faixa de passagem infinita)</p><p>15</p><p>Como usar um amplificador com ganho</p><p>infinito?</p><p>Sinais de modo comum e sinais</p><p>diferenciais</p><p>▪ A tensão diferencial vId de entrada dado pela diferença dos sinais v1 e</p><p>v2 aplicados às entradas 1 e 2</p><p>▪ A tensão de modo comum é dada pela média dos sinais v1 e v2</p><p>▪ De forma que os sinais de entrada são</p><p>16</p><p>Configuração Inversora</p><p>▪ R2 implementa uma realimentação negativa em torno do AOP</p><p>▪ R1 conecta a fonte de sinal à entrada do AOP</p><p>▪ Terminal não-inversor (2) está aterrado</p><p>▪ Terminal de saída admite-se uma impedância idealmente zero</p><p>17</p><p>Configuração Inversora</p><p>Ganho de malha fechada</p><p>18</p><p>▪ O ganho de malha fechada é definido como</p><p>▪ Análise</p><p>1. O ganho A é infinito, então a diferença entre</p><p>v1 e v2 deve ser desprezível (aprox. nula)</p><p>então v1=v2. Formando</p><p>o “curto-virtual” como</p><p>se v1 ligado em v2</p><p>2. Se terminal 2 está no</p><p>terra, se admite um</p><p>“terra-virtual” no terminal 1</p><p>Configuração Inversora</p><p>Ganho de malha fechada</p><p>19</p><p>3. Aplica-se a lei de Ohm para calcular a corrente i1 através de R1</p><p>4. i1 não entra pelo terminal 1, ela deve circular por R2, sendo i1=i2. Pela lei de</p><p>Ohm</p><p>5. Permite extrair a relação</p><p>de vo/vi</p><p>que é o ganho de malha</p><p>fechada</p><p>Exemplo</p><p>▪ Determinar vo/vi da topologia a seguir</p><p>▪ Começa-se pela análise da entrada inversora</p><p>▪ Logo, pode-se determinar i1 como</p><p>20</p><p>Exemplo</p><p>▪ Determinar vo/vi da topologia a seguir</p><p>▪ Como a corrente i1 não passa pela entrada inversora, i1 circula</p><p>somente por R2 e</p><p>▪ E a tensão no nó x será</p><p>21</p><p>Exemplo</p><p>▪ Determinar vo/vi da topologia a seguir</p><p>▪ Com a tensão vx pode-se determinar i3</p><p>▪ E a equação do nó x fornece i4</p><p>▪ De onde se por determinar vo</p><p>22</p><p>Aplicação do Somador Ponderado</p><p>▪ Fica mantida a resistência da realimentação negativa Rf</p><p>▪ Vários sinais de entrada v1, v2, ... , vn e resistores correspondentes</p><p>▪ Produzindo a soma das correntes no nó da entrada inversora</p><p>▪ De onde se obtém vo</p><p>23</p><p>Aplicação do Somador Ponderado</p><p>Com subtração de sinais</p><p>▪ Existem aplicações que necessitam da soma algébrica de</p><p>formas de onda com sinais opostos.</p><p>24</p><p>Configuração Não-Inversora</p><p>▪ O sinal é aplicado à entrada não inversora</p><p>▪ Terra é conectado ao resistor R1</p><p>25</p><p>Configuração Não-Inversora</p><p>1. Considerando o ampop ideal de ganho infinito, existe um terra entre</p><p>seus dois terminais de entrada (vid é a tensão diferencial)</p><p>2. Logo a tensão da entrada inversora é igual a tensão na entrada não</p><p>inversora e a corrente por R1 é vi/R1 sendo que essa corrente circula</p><p>por R2.</p><p>3. A tensão de saída vo será dada por</p><p>reescrita como</p><p>26</p><p>Circuito seguidor de tensão</p><p>▪ A alta impedância de entrada na configuração não inversora permite</p><p>isolar estágios</p><p>▪ Permite conectar um circuito com alta impedância de saída a uma</p><p>carga de baixa impedância</p><p>▪ Circuito transformador de impedâncias</p><p>27</p><p>Circuito seguidor de tensão</p><p>28</p><p>Amplificadores de diferenças</p><p>▪ Idealmente</p><p>▪ Amplifica a diferença de sinais entre as entradas e</p><p>▪ Rejeitas sinais comuns às duas entradas</p><p>▪ Aplicados principalmente no contexto de instrumentação</p><p>▪ Na prática</p><p>▪ Existe um ganho de modo comum Acm</p><p>▪ Razão de rejeição de modo comum</p><p>▪ (CMRR)</p><p>29</p><p>Circuito simples de amplificação de sinais</p><p>▪ Combina a realimentação positiva (não inversora) com a</p><p>realimentação negativa (inversora) com ganhos iguais</p><p>▪ Tensão de saída</p><p>▪ Ganho de tensão</p><p>▪ Fazendo-se</p><p>30</p><p>Exemplo</p><p>31</p><p>Amplificador de instrumentação</p><p>32</p><p>Dois amplificadores não inversores Amplificador de diferenças</p><p>Amplificador de instrumentação</p><p>▪ Primeiro estágio</p><p>▪ Segundo estágio</p><p>▪ Tensão de saída</p><p>▪ Ganho de tensão</p><p>33</p><p>Amplificador de instrumentação</p><p>▪ Desvantagens</p><p>▪ Ganho de modo comum do primeiro estágio é elevado. Força o</p><p>segundo estágio a lidar com um vcm alto, reduzindo o CMRR</p><p>▪ O casamento do primeiro estágio deve ser “perfeito”</p><p>▪ Para variar o ganho diferencial, dois resistores devem ser variados</p><p>ao mesmo tempo e “casados”</p><p>34</p><p>Combinar as resistências</p><p>Amplificador de instrumentação</p><p>▪ Ganho diferencial não é alterado</p><p>▪ Não amplifica a tensão de entrada de modo comum</p><p>▪ Devido ao curto virtual entre vi1 e vi2</p><p>35</p><p>Exemplo</p><p>36</p><p>Ganho vs. Frequência</p><p>▪ Na prática o ganho não é finito e diminui com o aumento da</p><p>frequência</p><p>▪ Ganho é muito alto em cc e baixas frequências</p><p>▪ A partir da frequência de corte ele começa cair 20dB/década</p><p>▪ Forma um filtro passa baixa</p><p>▪ Sendo</p><p>▪ Em regime permanente</p><p>▪ Sendo A0 o ganho cc e</p><p>ωb a frequência de corte</p><p>37</p><p>Ganho vs. Frequência</p><p>▪ No momento que o ganho A se torna unitário tem-se</p><p>▪ A frequência ft é dada por ωb/2π</p><p>▪ Sendo a “figura de mérito” dos amplificadores comerciais</p><p>38</p><p>Slide 1: EELI10 – ELETRÔNICA BÁSICA I</p><p>Slide 2: Introdução</p><p>Slide 3: Os terminais do AOP</p><p>Slide 4: Características de um AOP</p><p>Slide 5: Aplicações de um AOP</p><p>Slide 6: Funcionamento básico de um AOP</p><p>Slide 7: Conceito de Amplificador Diferencial</p><p>Slide 8: Conceito de Amplificador Diferencial</p><p>Slide 9: Introdução OP AMP 741</p><p>Slide 10: Características do AOP</p><p>Slide 11: Características do AOP</p><p>Slide 12: Características do AOP</p><p>Slide 13: Características do AOP</p><p>Slide 14: Características do AOP</p><p>Slide 15: Características do AOP</p><p>Slide 16: Sinais de modo comum e sinais diferenciais</p><p>Slide 17: Configuração Inversora</p><p>Slide 18: Configuração Inversora Ganho de malha fechada</p><p>Slide 19: Configuração Inversora Ganho de malha fechada</p><p>Slide 20: Exemplo</p><p>Slide 21: Exemplo</p><p>Slide 22: Exemplo</p><p>Slide 23: Aplicação do Somador Ponderado</p><p>Slide 24: Aplicação do Somador Ponderado Com subtração de sinais</p><p>Slide 25: Configuração Não-Inversora</p><p>Slide 26: Configuração Não-Inversora</p><p>Slide 27: Circuito seguidor de tensão</p><p>Slide 28: Circuito seguidor de tensão</p><p>Slide 29: Amplificadores de diferenças</p><p>Slide 30: Circuito simples de amplificação de sinais</p><p>Slide 31: Exemplo</p><p>Slide 32: Amplificador de instrumentação</p><p>Slide 33: Amplificador de instrumentação</p><p>Slide 34: Amplificador de instrumentação</p><p>Slide 35: Amplificador de instrumentação</p><p>Slide 36: Exemplo</p><p>Slide 37: Ganho vs. Frequência</p><p>Slide 38: Ganho vs. Frequência</p>