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Departamento de Engenharia Elétrica Amplificador Operacional História ... Um pouco � Em 1963 a FAIRCHILD lançou o primeiro Amp Op. Monolítico o ua702 � Inicialmente utilizado em calculadoras � Nos computadores analógicos realizavam: soma, subtração, divisão, multiplicação, integração, diferenciação, etc; � Devido as operações matemáticas serem a sua principal aplicação, recebeu o nome de Amplificador Operacional, e depois abreviado para Amp Op e AO; � Aplicações: � Sistemas eletrônicos de regulação e controle; � Filtros ativos; � Osciladores; � Amplificadores CA e CC; � Fontes de alimentação estabilizada; � Geradores de função; � Conversores analógicos digitais; etc. Amplificador Operacional - IDEAL � O Amp Op pode ser definido como “um amplificador de tensão controlado por tensão”, o qual sem a realimentação e sob o enfoque ideal, possui as seguintes características: � Ganho de malha aberta: infinita; � Resistência de entrada: infinita; � Resistência de saída: nula; � Tensão de saída: nula quando a tensão de entrada for igual a zero; Definição 2 � O Amplificador Operacional é um amplificador multiestágio de acoplamento direto e entrada diferencial, cujas características se aproximam-se das características de um amplificador ideal Amplificador Operacional (interno) � 1 – Símbolo � Malha Aberta = sem realimentação � Possui uma entrada inversora e outra não-inversora; � A entrada (1) é denominada de não-inversora; � A entrada (2) é denominada de inversora � A = ganho de malha aberta Circuito o equivalente do AO Ideal � 2 – Características Ideais � Ganho em malha aberta � A = ∞; � Resistência de Entrada � Ri� ∞; � Resistência de Saída � R0� 0; � Largura de Faixa � BW � ∞; � Balanceamento Perfeito do par de transistores da entrada ocorre quando v1� v2� vo� 0 (zero) Pinagem (741) Amp Op quádruplos Exemplos: LM324 (quadruplo), LM358 (duplo) Amplificador Operacional � O Amp Op real consiste do Amp Op Ideal acrescidas as não idealidades advindas principalmente do processo construtivo � A falta de um padrão de simbologia faz com que cada um adote a sua. Assim, apresentamos a seguir os principais símbolos adotados: Encapsulamento � Há dois tipos básicos de encapsulamento, sendo o primeiro o encapsulamento metálico que recebe a denominação de TO-99 (H) � Já o encapsulamento básico é o encapsulamento denominado de “dual in line package” – DIP � Plástico: mini DIP (T) DIP (D) � Cerâmica: Flat (F) Embalagem vista de cima Embalagem vista de cima Parâmetros Máximos � São as condições limites toleradas pelo Amp Op, sem que haja danos. � Tensão de Alimentação: +Vcc, -Vcc � Tensão positiva e negativa de alimentação de um amp. op. � Pode ser fonte simétrica (ou bipolar) ou fonte simples (ou unipolar) Saturação � A variação da saída do AMPOP não pode ultrapassar a tensão da fonte de alimentação (menos alguns millivolts ....) � Tipicamente AMP OPs são alimentados por tensões simétricas (±3, ±5, ±12 V, ±15 V) � Se saturado, o AMP OP pode comportar-se aproximadamente como um comparador com forte não linearidade e histerese. Alimentação do AO Alimentação do AO Parâmetros Máximos � Dissipação Interna de Potência: � É a potência de dissipação máxima que o operacional suporta sob temperatura ambiente (500mW@<75oC) � Tensão diferencial de entrada (Vd): � Tensão máxima que pode ser aplicada entre as entradas V+ e V– do operacional; � Tensão de entrada de modo comum: � Tensão máxima de entrada que pode ser aplicada simultaneamente entre as duas entradas e o terra. Geralmente, essa tensão máxima é igual á tensão da fonte. Parâmetros Máximos � Temperatura de operação: � Faixa de temperatura ambiente na qual o fabricante garante as especificações técnicas do Amp. Op. dada no manual. � Militar: .................... - 55 oC a +125 oC; � Comercial:...............0 oC a +70 oC. � Duração de curto circuito na saída: � Período de tempo permissível para curto-circuito na saída do operacional, em relação à terra ou a um dos dois terminais da fonte. Características Elétricas � O melhor meio de se encontrar todas as características de um Amp. Op. consiste no exame das especificações técnicas fornecidas pelo fabricante (manual – datasheet); � Dentre as informações disponíveis pelos fabricantes nos manuais constam: � Descrição geral do operacional � Esquema equivalente do circuito interno � Pinagem do dispositivo (numeração dos pinos) � Características elétricas � Curvas típicas de desempenho. � Ver datasheet .... 741 Como ler o datasheet � As características elétricas dos Amp. Op. são geralmente definidas em função da temperatura ambiente e da tensão de alimentação � Os parâmetros quase sempre apresentam um valor mínimo, um valor típico e/ou um máximo � Com base no modelo linearizado de um amp op para pequenos sinais temos os parâmetros básicos ANTES DE CONTINUAR, VAMOS VER O QUE É UM SISTEMA DE MEDIÇÃO Sistema de Medição Grandeza que se quer Medir (Mensurando) A d a p t a ç ã o S E N S O R C o n f o r m a ç ã o d o s i n a l Transdutor Amplificador Filtro Condicionamento do Sinal S/H Visualização /Indicação Conversor Analógico Digital Unidade Central de Processamento Processamento Analógico do Sinal Tratamento Analógico Tratamento Digital Unidade de Tratamento do Sinal — UTS Chave Seletora (MUX) Duas opções de Tratamento do sinal Detalhes de uma parte do SM � S/H: discreto no tempo e contínuo na amplitude RETORNANDO AOS CÁLCULOS BÁSICOS COM AMP OP – CONJUNTO DE SLIDES DENOMINADO AULA 2. Retorno dos slides da Aula 2 Offset � (Offset, erro de offset ou erro de desvio): � pode ser definido como sendo o valor dado pela diferença que existe na saída quando ela deveria ser zero e o valor encontrado em função de determinadas condições de operação � Este desvio ocorre em virtude dos transistores do estágio diferencial de entrada do AO não serem idênticos, o que provocará um desbalanceamento interno. � Isso irá resultar em uma tensão de saída proporcional a esse desbalanceamento, mesmo com as entradas aterradas � Um exemplo disso pode ser visto pela curva de um sensor em função da temperatura, existe um desvio que se manifesta no ponto de zero, mas que se propaga por toda a faixa dinâmica do sensor. Deriva - Drift � Deriva (de um instrumento de medida) – (Drift): � é uma mudança gradual na indicação do zero do instrumento sem sinal de entrada do instrumento de medição � A deriva é especificada como uma função do tempo ou da temperatura; � Sensibilidade à temperatura � As variações de temperatura podem causar alterações significativas nas características elétricas de um dispositivo Parâmetros de Entrada � Tensão de desvio de entrada (input offset voltage, Vio): � Tensão diferencial que deve ser aplicada a um dos terminais de entrada para se obter uma saída zero. � No caso de um amp op ideal, essa tensão é nula � Vio = V1 - V2 para Vo = 0 � Valores típicos: 1 - 100mV � 0,5 - 6mV para os melhores AO � Em um amp op ideal V1 = V2, portanto, a tensão diferencial Vd é nula. � Assim, a tensão de saída do amp op será zero Parâmetros de Entrada � Deriva de tensão de offset de entrada (∆Vio/∆T) (Input offset voltage drift): � Indica a taxa de variação da tensão de offset em relação às variações de temperatura. � Valores típicos: 5 - 10µV/oC � 1µV/oC para os melhores AO Parâmetros de Entrada � Corrente de polarização de entrada (input bias current, IB): � É o valor médio das correntes nas duas entradas do operacional; � O valor desta corrente é uma característica de cada operacional, porém, sempre diferente de zero � IB = (I1 + I2)/2 para Vo = 0 � Valores típicos: 1nA - 1µA (bipolar) � 1pA - 1nA (FET) Parâmetros de Entrada � Corrente de offset de entrada (Iio) (Input offset current): � Corresponde à diferença entre as correntes das duas entradas do AO quando a tensão desaída é nula. � Iio = IB1 - IB2 para Vo = 0 � Valores típicos: 1nA - 1µA (bipolar) � 1pA - 1nA (FET) � Teoricamente as duas correntes de entrada deveria, ser iguais � Caso IDEAL: R1 = R2 � Ib1 = Ib2 � V1 = V2 � Vo = 0 � Caso REAL: R1 = R2 � Ib1 ≠ Ib2� V1 ≠ V2 � Vo≠ 0 Parâmetros de Entrada � Corrente de compensação de entrada (input difference current, ios): � Diferença entre as duas correntes de entrada, i1 e i2 � No amplificador ideal i1 = i2 = 0 � Deriva de corrente de offset de entrada (∆∆∆∆Iio/∆∆∆∆T) (Input offset current drift): � Indica a taxa de variação da corrente de offset em relação às variações de temperatura. Parâmetros de Entrada � Faixa de tensão de entrada (Input voltage, Vi): � Indica a faixa de tensão que pode ser aplicada aos terminais de entrada, em relação ao zero, sem prejuízo de funcionamento. � Valores típicos: + 15V � Tensão diferencial de entrada (Differential input voltage, Vid): � Indica a faixa de tensão que pode ser aplicada entre as duas entradas do AO sem prejuízo de funcionamento. � Valores típicos: + 30V Parâmetros de Entrada � Impedância de entrada (common-mode input impedance, Zcm1, Zcm2): � Impedância vista por uma das entradas quando a outra está aterrada � Resistência da entrada diferencial (Input resistance, Ri) : Corresponde à resistência vista através de uma das entradas quando a outra está aterrada. � Valores típicos: 500kΩ - 10MΩ (bipolar) � 1GΩ - 1TΩ (FET) � Impedância de entrada diferencial (differencial input impedance, Z1): � É a impedância medida através dos terminais de entrada do operacional � Capacitância de entrada: � Da mesma forma que a impedância de entrada, a capacitância pode ser apresentada na forma diferencial e no modo comum Parâmetros de Entrada � Tensão equivalente de ruído na entrada (Input-Referred voltage noise, Vn): � Representa todas as fontes de ruído produzidas dentro do AO e transferidas para a entrada. � É uma forma artificial de mostrar como uma fonte AC aplicada à entrada de um AO imune a ruídos, comporta-se em função da frequência. � No manual vem especificado para uma certa frequência, com uma determinada banda passante ou simplesmente em valor de pico a pico de tensão. � Valores típicos: 10 - 100nV/Hz1/2 � 1 - 10µVpp � Corrente equivalente de ruído na entrada (Input-Referred current noise, In): � Representa todas as fontes de ruído produzidas dentro do AO e transferidas para a entrada. � Valores típicos: 1 - 50nA /Hz1/2 � O termo ruído representa tensões e correntes AC aleatórias geradas dentro do AO � Há três tipos básicos de ruído que afetam o desempenho do AO � Ruído JONHNSON (térmico): � Representa a geração de tensões Vn no interior de um condutor devido ao movimento aleatório de portadores de corrente � K= constante de Boltzmann (1,38*10-23 J/K) � T= temperatura (K) � R = resistência do condutor (Ohms) � BW = banda passante (Hz) )* � 4 ∗ - ∗ . ∗ / ∗ 01 � Ruído SCHOTTKY (shot): � É proveniente de variações aleatórias que ocorrem mesmo em correntes DC, onde o valor médio é mantido constante � q = carga do elétron (1,6*10-19 C) � Idc = corrente dc (A) � BW = banda passante (Hz) � Ruído 1/f: � Ruído que aparece em baixas frequências. Valor reduz a medida que a frequência aumenta .... Inversamente proporcional a frequência 2* � 2 ∗ 3 ∗ 245 ∗ 01 Parâmetros de Saída � Impedância de saída (output impedance, open-loop, Z0): � Impedância medida nos terminais de saída do amplificador operacional � Resistência de saída (Output resistance, Ro): � É a resistência de saída para pequenos sinais, em que não ocorre influência do limite de corrente. � Valores típicos: 75 - 300Ω Parâmetros de Saída � Corrente de saída em curto-circuito (Output short circuit current, Iosc): � É a corrente máxima de saída que um operacional pode fornecer á carga. � Para o 741 é 5mA. � Valores típicos: 25 - 40mA � Duração do curto circuito na saída (Tosc): � Representa o tempo que a saída pode permanecer em curto circuito, sem que haja danificação do AO. Parâmetros Dinâmicos � Razão de Resposta (Slew Rate, SR): � O “slew rate” é a medida da capacidade que o amplificador operacional tem de incrementar a tensão de saída para um degrau de tensão na entrada. � Idealmente SR é infinita � isso significa que a reposta a um salto de entrada é um outro salto; � Matematicamente é o atraso que a saída tem em responder a um estímulo na entrada, ou seja, é a velocidade de resposta do AO a um sinal aplicado entre a sua entrada e é dado por: � Valores típicos: 1 - 13V/µs 6/ � ∆) ∆8 � )9:8; <; Parâmetros Dinâmicos � O Slew Rate define a taxa máxima de variação da tensão de saída que um AO consegue suprir em virtude do efeito carga-descarga capacitiva dentro do dispositivo. � Para um sinal senoidal SR é dado por: SR > pi.f.Vpp � Onde: � Vpp = tensão de pico a pico máxima na saída (V) � f = frequência do sinal (Hz) � Portanto, a resposta do AO depende da amplitude do sinal e da frequência do mesmo. Exercício � Calcule a frequência máxima do sinal de saída para um sinal de entrada de 20Vpp. Considere o AO como sendo o 741 que apresenta SR=0,5V/us. � R: fmáx ≅ 8kHz � Calcule a frequência máxima do sinal de saída para um sinal de entrada de 2Vp. Considere o AO como sendo o 741 que apresenta SR=0,5V/us. � Calcule a amplitude máxima do sinal de saída para um sinal de entrada de 2Vpp e 20kHz. Considere o AO como sendo o 741 que apresenta SR=0,5V/us. � R: Vopp≅ 8,0V Parâmetros Dinâmicos � Ganho de tensão em malha aberta (Voltage gain , Avo): � É a razão entre a tensão de saída e a de entrada de um operacional, quando não existe realimentação entre o terminal de saída e os de entrada � É definido como ganho diferencial DC em malha aberta. � Valores típicos:50 000 – 200 000 � Ganho de tensão em modo comum (Common-mode voltage gain, Acmo): � Corresponde à relação entre tensão de saída e entrada quando os terminais de entrada são interconectados (tensão diferencial nula). Parâmetros Dinâmicos � Banda passante (Bandwidth, BW): Pode ser definida de vários modos: � Frequência de ganho unitário (fu) (Unity gain frequency): Representa a frequência na qual o ganho de tensão cai à unidade (0dB). � Valores típicos: 0,5 – 5MHz � Tempo de crescimento para o ganho unitário (Rise time) ou Tempo de resposta (“response time”) ou Tempo de subida: Frequentemente o AO é configurado como amplificador não inversor de ganho unitário, no qual é medido o tempo de subida para um sinal pequena amplitude. A banda passante é definida como: � BW = 0,35/tr (tr = rise time) � Banda passante de máxima potência (Power bandwidth): É definida como a máxima frequência na qual uma onda senoidal, sem distorção e sem alteração de amplitude pode ser observada na saída. Vale geralmente 10 a 100 vezes menos que fu. 8? � 8@ � 8A,C 8A,D8? � 8@ � 8A,C - 8A,D Relação Ganho-Frequência Parâmetros Dinâmicos � Produto Ganho-banda passante (Gain-bandwidth product, PGB): � É o produto do ganho pela banda passante. � Distorção harmônica total (Total harmonic distortion, TDH): � Representa a distorção total provocada pelas harmônicas surgidas no AO. � Valores típicos: 0,01% Outros Parâmetros � Razão de Rejeição de Modo Comum (Common-mode rejection ratio, CMRR): � Em um amplificador operacional ideal, a saída é proporcional a diferença entre os sinais de entrada, sendo nulo quando o valor de ambas as entradas forem iguais. � Em um amplificador operacional real a presença do mesmo sinal em ambas entradas não fornece uma tensão de saída nula. � A CMRR é a medida da capacidade de rejeição de sinais presentes nas duas entradas. � Matematicamente representa a relação entre o ganho diferencial e o ganho de modo comum. � É geralmente expressado em dB. � Valores típicos:65 - 90dB Outros Parâmetros � Corrente da fonte de alimentação: � É a corrente que o operacional drena da fonte de alimentação com a finalidade de “alimentar” seus circuitosinternos; � Serve para auxiliar o dimensionamento da fonte de alimentação do sistema no qual o Amp Op se integra. Fatores que causam danos permanentes ao AO � Inversão nas ligações de +Vcc e –Vcc; � Colocar nas entradas uma tensão maior do que +Vcc ou menor do que –Vcc; � Colocar sinal na entrada sem a existência alimentação (+vcc, -Vcc). � Caso típico, desligar a alimentação mantendo o gerador de sinal conectado as entradas do amp op; � Curto-circuito entre os terminais do componente ou estes com os terminais conectados a fonte de alimentação. � Caso típico quando se procura sinais com a ponteira do osciloscópio. Cálculos com as Especificações dos Amp. Ops. Cálculos com as Especificações dos Amp. Op. � As especificações incluem características cc, transiente e de frequência � a) Tensões e Correntes de Offset (desequilíbrio): � Para entrada 0V a saída deve ser de 0V, mas na prática isso não ocorre; � O fabricante especifica uma tensão de offset de entrada para o AO. A tensão de saída é determinada pela tensão de offset de entrada e pelo ganho do amplificador. � A tensão de offset de saída pode ser afetada por duas condições de circuitos independentes, que são: � 1 – uma tensão de offset de entrada, )EF; � 2 – uma corrente de offset devido à diferença nas correntes resultantes nas entradas (+) e (-). a1) Tensão de Offset de Saída devido à Tensão de Offset de Entrada, )EF (manual) � Para determinar o efeito dessa tensão de entrada na saída, considere a conexão mostrada na figura. � )4 � )EF − H I � )EF − )F JK JKLJM � Utilizando )F � N ∗ )4 tem-se: � )A � N )EF − )F JK JKLJM � )A � N)EF − N)F JK JKLJM � )A 1 + N JK JKLJM � N)EF v- Rf Vo v+ Rc V2 V1 Vio Vd + - OUT R1 )F � 1 + /P /D )EF � )A 1 + N JK JKLJM � N)EF � )A � QRST DLQ UK UKVUM � )EF Q DLQ UK UKVUM � Como o lado esquerdo do denominador é >>1, tem-se: � )A ≅ )EF Q Q UK UKVUM � )A ≅ )EF JKLJM JK � )A 9WW;X8 )EF = )EF JKLJM JK v- Rf Vo v+ Rc V2 V1 Vio Vd + - OUT R1 )F = 1 + /P /D )EF Exemplo � Para o circuito ao lado, calcule a tensão de offset de saída do circuito. � Considere )EF � 1,2Y). � Veja que o )EF que é dado como sendo na entrada, quando refletido na saída, depende do ganho do circuito � Escolha outro AO, avalie o manual e depois repita o cálculo para ele. + - OUT Vo R1 150k 2k Vi Rf )A 9WW;X8 )EF = )EF /D + /P /D )A 9WW;X8 )EF = )EF /D + /P /D )A 9WW;X8 )EF = 1,2[10 I\ 152^ 2^ = 91,2Y))A 9WW;X8 )EF = 1,2[10 I\ 152^ 2^ = 91,2Y) a2) Tensão de Offset de Saída devido à Corrente de Offset de Entrada, 2EF (manual) � Uma diferença entre as correntes de polarização das entradas também produz uma tensão de offset na saída � Dois transistores nunca são exatamente iguais. Portanto, as respectivas correntes de operação também não � Para os Aos da figura a tensão de offset de saída pode ser calculada como segue (por superposição): R1 Iib+ Rf Vo Iib- + - OUTRc Iib- Vo + - OUT R1 Iib+ Rc Rf IIB.Rc IIB.R1 + - a2) Tensão de Offset de Saída devido à Corrente de Offset de Entrada, 2EF (manual) � As correntes de polarização e podem ser substituídas pelas quedas de tensão nos resistores de entrada (queda de tensão correspondente), conforme figura � Utilizando o TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO tem-se: � )AL � 2E`L ∗ /5 1 + JM JK � )AI � 2E`I ∗ /D − JM JK � A tensão de saída total pode então ser escrita como a somatória das duas tensões: � )A 9WW;X8 2E`L2E`I = 2E`L ∗ /5 1 + JM JK + 2E`I ∗ /D − JM JK � Como as correntes devem ser muito próximas: � Fazendo 2E`L = 2E`I = 2` ` IIB.RcIIB.R1 +- a2) Tensão de Offset de Saída devido à Corrente de Offset de Entrada, 2EF (manual) � Como o objetivo é determinar a diferença entre correntes de polarização das entradas em vez de cada valor em separado, define- se a corrente de offset 2EA por: � Como a resistência de compensação Rc é geralmente bastante semelhante ao valor de R1, utiliza-se Rc=R1 (JUSTIFIQUE!!!!) � )A 9WW;X8 2E`L2E`I = 2` ` /5 JKLJM JK + /D − JM JK � )A 9WW;X8 2E`L2E`I = 2` ` /5 JKLJM JK − /P � Se a expressão entre parênteses fosse igual a zero a tensão de compensação seria zero. Assim, isolando Rc na expressão igual a zero tem-se: � /5 JKLJM JK − /P = 0 ⇒ /5 = /D///P 2EA 2E`L 2E`I2EA=2E`L - 2E`I a2) Tensão de Offset de Saída devido à Corrente de Offset de Entrada, 2EF (manual) � Retornando a equação original: � )A 9WW;X8 2E`L2E`I = 2E`L ∗ JK.JM JKLJM JKLJM JK − 2E`I/P � )A 9WW;X8 2E`L2E`I = 2E`L ∗ /P − 2E`I/P = /P 2E`L − 2E`I � )A 9WW;X8 2E`L2E`I = /P 2E`L − 2E`I bc deefgh iijLiijI = keiilbc deefgh iijLiijI = keiil Exercício 13.7 � Para o circuito calcule a tensão de offset. Considerando 2EF � 100mN � Qual o valor do resistor de compensação? � Desenhe o o circuito com esse resistor e explique a função dele, bem como o tipo de erro que a sua falta causará e quais as forms possíveis de compensação desse erro.. + - OUT Vo R1 150k 2k Vi Rf )A 9WW;X8 2E`L2E`I = /P2EF = 100[10 IC ∗ 150^ )A 9WW;X8 2E`L2E`I =15mV Offset Total Devido a EF e EF )A 9WW;X8 � )A 9WW;X8 nXHon9 p )EF + )A 9WW;X8 nXHon9 p2EF � O valor absoluto é utilizado para acomodar o fato de que a polaridade da tensão de offset pode ser positiva ou negativa � Exemplo: � )EF = 4Y) � 2EF = 150mN Vo Vi 5k 5k 500kRf + - OUT R1 )A 9WW;X8 2E`L2E`I = /P2EF = 500^ ∗ 150m =75mV )A 9WW;X8 = )EF /D + /P /D = 4 ∗ 10I\ 505^ 5^ = 404Y) )A 9WW;X8 = 404Y) + 75Y) = 479Y) � 06052013 Corrente de Polarização de Entrada � 2E`L X 2E`I ⇒ 2EF � Um parâmetro relacionado a essas correntes é a corrente de polarização média � Para 2E`L> 2E`I pode-se mostrar que: 2E` = 2E`L+ 2E`I 2 2E`L= 2E`+ 2EF 2 2E`I= 2E`− 2EF 2 Exemplo Corrente de Polarização de Entrada � Calcule as correntes de polarização de cada entrada de um AO com 2EF � 5mN e 2E` � 30mN � Respostas: � Repetir os exemplos / exercícios anteriores para o 741, LM353, LM356 2E`L� 32,5mN 2E`I � 27,5mN
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