Avaliação Prática - Amplificadores Operacionais

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Amplificadores Operacionais Análise de Circuito Comparador com Offset em Amplificador Operacional Pino 3 = Entrada não inversora V2 R1 12V 3 + 6 V1 Saída 2 + 10Vrms 50Hz R2 V3 0° 1kΩ 12V Eletrônica V4 2V Pino 2 = Entrada inversora circuito representa um amplificador operacional usado sem realimentação entre saída e qualquer das entradas; R1 encontra-se em série com a entrada não- inversora e R2 em série com a entrada inversora. A entrada não-inversora recebe uma tensão senoidal de 10 V (valor eficaz Vin(rms)) e 50 Hz, enquanto a entrada inversora é polarizada em Vref = +2 V por uma fonte CC. As tensões de alimentação são simétricas, +12 V e -12 V. Nessa topologia, a saída não é aplicada de volta às entradas por meio de um caminho resistivo; portanto, dispositivo opera essencialmente em malha aberta e não em configuração amplificadora linear com ganho fixado pela rede de realimentação. Um AMP-OP em malha aberta apresenta ganho intrínseco muito elevado (ganho em malha aberta tipicamente da ordem de para dispositivos discretos). Em regime estável linear esse ganho seria controlado por uma rede de realimentação; como tal rede não existe no esquema em análise, qualquer pequena Projetos Assistência Técnica Assessoria Acadêmica prof.luca.cacciatore@gmail.com Eletrônica (47) 99740 2103diferença entre as tensões nas entradas leva a saída a comutar para um dos trilhos de alimentação, até que a saturação limite adicional incremento de tensão. Assim, a função operacional do circuito é a de comparador: a saída toma valor próximo ao rail positivo quando Vin(t) > Vref e toma valor próximo ao rail negativo quando Vin(t) Vref / VIN(pk), obtém-se um ângulo de limiar = arcsin (Vref / VIN(pk)). A duração por ciclo em que a saída assume nível positivo é = que corresponde à fração do período Para os valores do experimento (Vref = 2 V; VIN(pk) = 14,14 V) obtém-se ≈ 0,142 rad (≈ 8,13°), logo a fração temporal de nível alto é aproximadamente 0,455 do período e a fração restante corresponde ao nível negativo. Essa análise explica por que, na forma de onda simulada, a saída apresenta pulsos de saturação com larguras bem definidas em cada ciclo, em vez de uma amplificação linear da senoide de entrada. Projetos Assistência Técnica Assessoria Acadêmica prof.luca.cacciatore@gmail.com EletrônicaAvaliação Prática Amplificadores Operacionais Multisim Prática Amplificadores File Edit View Place Simulate Transfer Reports Options Window Help Interactive Ext Trig Oscilloscope Pino 3 = Entrada não inversora V2 R1 V(rms): 11.0V 12V U1 V(freq): + V V1 Saída 2 10Vrms LM741CN 50Hz R2 V3 0° prof.luca.cacciatore@gmail.com 1kQ 12V V4 2V Pino 2 = Entrada inversora Avaliação Prática Amplificadores Operacionais Multisim quarta setembro de 00:39:36 Time Reverse setembro de 2025 Timebase Channel A (Hora local) Scale: 5 ms/Div Scale: Edge: As não-idealidades do amplificador operacional modelam fortemente a forma de onda de saída. Tomando como referência um LM741 (exemplo prático), dois efeitos são especialmente relevantes: 1) output swing (faixa de saída) não alcança os rails, de modo que a saída real fica tipicamente alguns volts abaixo dos trilhos de alimentação¹ 2) a presença de tensões de offset internas e correntes de polarização deslocam o limiar efetivo de comutação entre as entradas. Consequentemente, com alimentações de V a saída do LM741 tende a saturar perto de ≈ ±11 V (na simulação; na prática, depende do modelo de operacional usado, temperatura e carga aplicada), resultando em VOUT(p-p) ≈ 22 V quando ocorre comutação simétrica. A simulação experimental do circuito apresenta precisamente esse padrão: formas de onda com platôs (regiões achatadas) nas 1 Amplificadores operacionais rail-to-rail permitem que as tensões de entrada e de saída se aproximem dos trilhos, ampliando a faixa útil antes da saturação. Já o LM741 é um dispositivo de projeto clássico, sem entradas ou saída rail-to-rail; sua faixa de modo comum e seu limite de saída permanecem afastados das tensões de alimentação, o que exige headroom adicional. Projetos Assistência Técnica Assessoria Acadêmica prof.luca.cacciatore@gmail.com Eletrônica - 2103cristas e vales, da ordem de 22 V e componente DC aparente² decorrente da combinação entre deslocamento DC aplicado (Vref) e a assimetria introduzida pelas limitações de saída do dispositivo. A saturação do amplificador produz clipping nos extremos da forma de onda, gerando distorção que se traduz, na análise em frequência, pela introdução de harmônicas (componentes em frequências múltiplas inteiras da fundamental). A resposta espectral do sinal de saída evidencia esses harmônicos e permite quantificar a perda de fidelidade em relação à senoide de entrada. A taxa de variação máxima (slew rate) do amplificador é outro parâmetro que pode limitar a qualidade do pulso de saída, mas, para 50 Hz e as amplitudes envolvidas neste experimento, efeito dominante na distorção observada é a saturação por falta de headroom nas rails e a presença de offset efetivo nas entradas. Concluindo, circuito ilustra como a introdução deliberada de offset e as limitações físicas do amplificador operacional condicionam a forma de onda de saída. Contudo, convém salientar que a presença de offset nem sempre acarreta efeitos indesejáveis; historicamente, em osciloscópios analógicos de traço único, circuitos externos de deslocamento de nível eram usados para separar verticalmente múltiplos sinais de entrada, permitindo a visualização simultânea de formas de onda em um instrumento originalmente projetado para uma única entrada. Observação. Esta é uma atividade acadêmica válida no ambiente de simulação. Entretanto, se circuito fosse montado fisicamente e submetido a uma senoide de V na entrada, ultrapassando as tensões de alimentação (±12 V) e, sobretudo, a faixa de modo comum do 741, poderiam ocorrer respostas imprevisíveis ou até danos ao componente. Na prática, a solução adequada seria atenuar sinal de entrada e ajustar a referência na mesma proporção, ou então 2 Calculando a média por período com VSAT ≈ V e D ≈ 0,455, obtém-se -0,99 V, compatível com a componente DC observada na simulação. Projetos Assistência Técnica Assessoria Acadêmica prof.luca.cacciatore@gmail.com Eletrônica (47) 99740 2103empregar um amplificador operacional rail-to-rail, ou ainda elevar a tensão de alimentação dentro dos limites especificados para dispositivo. Projetos Assistência Técnica Assessoria Acadêmica prof.luca.cacciatore@gmail.com Eletrônica (47) 99740 - 2103GLOSSÁRIO (Alternating Current): corrente alternada. Av: ganho em malha fechada (ganho de tensão). Faixa de modo comum (CMR): intervalo de tensões que podem ser aplicadas simultaneamente às duas entradas de um amplificador operacional sem que haja perda de linearidade ou funcionamento incorreto; em operacionais clássicos como o 741, essa faixa é limitada e não se estende até os trilhos de alimentação. Harmônicas: componentes de frequência múltiplos inteiros da frequência fundamental. Estão presentes naturalmente em sinais periódicos não senoidais e podem surgir em sinais originalmente senoidais quando estes sofrem distorção por não-linearidades, afetando a fidelidade do sinal. Headroom: margem de tensão entre a amplitude desejada de saída e as tensões de alimentação do dispositivo; quando essa margem é insuficiente, a saída fica limitada e ocorre saturação. Offset: tensão contínua residual presente na saída ou na entrada de um amplificador, decorrente de assimetrias internas, tensões de polarização e erros de fabricação; produz um deslocamento sistemático da forma de onda em relação ao nível ideal zero. Output swing: faixa efetiva de variação da tensão de saída de um amplificador operacional entre seus limites positivo e negativo, a qual geralmente se mantém alguns volts (ou milivolts, em AMP-OPs rail-to-rail) afastada dos trilhos de alimentação devido às perdas internas do dispositivo. Platôs na forma de onda: regiões achatadas ou arredondadas nas cristas e nos vales de uma onda provocadas pelo recorte (clipping) quando a saída atinge os limites máximos ou mínimos que estágio pode fornecer. Polarização DC: aplicação deliberada de uma tensão contínua a um nó do circuito para deslocar ponto médio de operação (bias), de modo a posicionar a forma de onda em uma faixa adequada para medição, interface ou processamento. Rail-to-rail: característica de um amplificador operacional que permite que sua saída (ou, em alguns dispositivos, suas entradas) se aproxime muito das tensões de alimentação positiva e negativa (os "rails"), reduzindo a margem (headroom) necessária para operar sem recorte. Projetos Assistência Técnica Assessoria Acadêmica (47) 99740 2103Resposta espectral: representação da distribuição de amplitude (e/ou fase) de um sinal em função da frequência, que evidencia a presença de harmônicos e efeito da distorção sobre conteúdo em frequência. RMS (Root Mean Square): valor eficaz (magnitude eficaz de uma tensão ou corrente alternada). Saturação (em AMP-OPs): estado em que a tensão de saída atinge limite máximo ou mínimo permitido pela alimentação do circuito integrado, impossibilitando a amplificação linear e resultando em distorção ou truncamento do sinal. Slew rate: taxa máxima de variação da tensão de saída do amplificador, expressa em Tensão parasita: pequena componente contínua ou indesejada presente sobre um sinal alternado, originada por correntes de fuga, desequilíbrios internos ou acoplamentos indesejados; atua como deslocamento DC não desejado. Vdc: componente contínua de uma tensão, correspondente ao valor médio de longo prazo do sinal; pode representar tanto a polarização intencional de um ponto de circuito quanto um offset DC indesejado. tensão pico-a-pico na saída. VOUT(pk): tensão de pico (amplitude) da saída. Vref: tensão de referência DC aplicada à entrada inversora (polarização, +2 V no experimento). VIN(pk): tensão de pico (amplitude) da entrada. VIN(rms): tensão eficaz (RMS) da entrada. Projetos Assistência Técnica Assessoria Acadêmica EletrônicaREFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microelectronic Circuits. 7. ed. New York: Oxford University Press, 2015. TEXAS INSTRUMENTS. LM741 Operational Amplifier. Datasheet. Disponível em: Acesso em: 03 set. 2025. Projetos Assistência Técnica Assessoria Acadêmica prof.luca.cacciatore@gmail.com Eletrônica (47) 99740 2103PROJETOS & TCCs para Cursos de Nível Médio ou Graduação em Eletrônica, Eletrotécnica, Automação, Mecatrônica e Telecomunicações - Sistema Semafórico Didático de Uma, Duas e Três Vias Relógio Digital de 4 ou 6 bits com formato de 12 ou 24 Horas Modulador/Demodulador AM Projetos Personalizados Projetos Assistência Técnica Assessoria Acadêmica Eletrônica Descubra Minhas Opções de Serviço Material didático de alta qualidade: Meus pacotes didáticos vêm com tudo: fotos, vídeos, apostilas e um monte de ideias práticas. É pra você aprender e desenvolver seus projetos no seu ritmo. Projetos exclusivos e personalizados: Sem tempo ou material? Sem problemas! Eu desenvolvo projetos personalizados, do jeitinho que você precisa. É a garantia de um resultado top, sem estresse. 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