Aula 10 Amplificador Operacional

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EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  10	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   1/6	
  
Introdução	
  teórica	
  Aula	
  10:	
  
Amplificador	
  Operacional	
  
Introdução	
  O	
  amplificador	
  operacional	
  é	
  um	
  componente	
  ativo	
  usado	
  na	
  realização	
  de	
  operações	
  aritméticas	
  	
  envolvendo	
   sinais	
   analógicos.	
   Algumas	
   das	
   operações	
   que	
   se	
   podem	
   realizar	
   com	
   amplificadores	
  operacionais	
  são	
  (soma,	
  diferença,	
  integração	
  e	
  logaritmo).	
  	
  O	
   símbolo	
   do	
   amplificador	
   operacional	
   é	
   apresentado	
   na	
   figura	
   1.	
   +VCC	
   e	
   	
   –VCC	
   são	
   as	
   tensões	
   de	
  alimentação	
   do	
   amplificador	
   operacional.	
   Alguns	
   amplificadores	
   operacionais	
   também	
  podem	
   ser	
  alimentados	
  com	
  +VCC	
  	
  e	
  0V.	
  A	
  tensão	
  de	
  saída,	
  vo,	
  está	
  limitada	
  pelas	
  tensões	
  de	
  alimentação	
  (neste	
  caso,	
  vo	
  ∈	
  [−VCC,	
  +VCC]).	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Tipicamente,	
  um	
  amplificador	
  operacional	
  é	
  composto	
  por:	
  	
   •	
  Um	
  par	
  diferencial,	
  como	
  estágio	
  de	
  entrada	
  do	
  amplificador	
  operacional	
  •	
  Blocos	
  para	
  aumentar	
  o	
  ganho	
  de	
  tensão	
  ou	
  corrente	
  •	
  Blocos	
  para	
  compensar	
  as	
  características	
  não-­‐ideais	
  dos	
  transistores	
  •	
  Estágio	
  de	
  saída	
  para	
  fornecer	
  elevadas	
  correntes	
  de	
  saída	
  	
  O	
  amplificador	
  operacional	
  é	
  normalmente	
  realizado	
  num	
  circuito	
  integrado	
  composto	
  por	
  cerca	
  de	
  30	
  transistores.	
  O	
  funcionamento	
  interno	
  de	
  um	
  amplificador	
  operacional	
  é	
  complexo,	
  mas	
  a	
  análise	
  em	
  termos	
  das	
  tensões	
  e	
  correntes	
  aos	
  seus	
  terminais	
  é	
  muito	
  simples.	
  	
  Os	
   amplificadores	
   operacionais	
   	
   amplificam	
   a	
   diferença	
   de	
   tensão	
   aplicada	
   nas	
   entradas	
   v+	
   	
   e	
   v−	
  segundo	
  a	
  equação	
  vo=A(v+−v−),	
  onde	
  A	
  	
  representa	
  o	
  ganho	
  de	
  tensão	
  do	
  amplificador	
  operacional.	
  O	
   ganho	
  pode	
   atingir	
   valores	
   da	
   ordem	
  de	
  105	
   a	
   106.	
  Os	
   amplificadores	
   operacionais	
   apresentam	
  uma	
   resistência	
   de	
   entrada	
   elevada	
   (tipicamente	
  maior	
   que	
   1MΩ).	
   A	
   resistência	
   de	
   saída	
   	
   de	
   um	
  amplificador	
  operacional	
  é	
  baixa	
  (tipicamente	
  inferior	
  de	
  100Ω).	
  	
  	
  
Característica	
  de	
  transferência	
  Para	
  um	
  amplificador	
  operacional	
  ideal	
  	
  considera-­‐se	
  que:	
  	
  •	
  Resistencia	
  de	
  entrada	
  é	
  infinita,	
  desta	
  forma	
  as	
  correntes	
  são	
  nulas	
  nas	
  entradas	
  v+	
  e	
  v−.	
  •	
  Resistencia	
  de	
  saída	
  é	
  igual	
  a	
  zero	
  desta	
  forma	
  a	
  tensão	
  de	
  saída,	
  vo,	
  não	
  depende	
  da	
  carga.	
  	
  •	
  Ganho	
  infinito	
  na	
  zona	
  linear	
  vo=A(v+−v−)	
  desta	
  forma	
  v+=	
  v−.	
  •	
  Nas	
  zonas	
  de	
  saturação	
  verifica-­‐se	
  que	
  quando	
  v+	
  	
  >	
  v−,	
  vO	
  =	
  +VCC	
  	
  (sat.	
  positiva),	
  e	
  quando	
  v+	
  	
  <	
  v−,	
  vO	
  =−VCC	
  	
  (sat.	
  negativa).	
  
 
 
 
	
  	
  	
  	
  	
   	
  Figura	
  1:	
  Símbolo	
  de	
  amplificador	
  operacional	
  	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  10	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   2/6	
  
 
Exemplos	
  de	
  configurações	
  usando	
  amplificadores	
  operacionais	
  
Seguidor	
  de	
  Tensão	
  	
  A	
   figura	
  2	
  mostra	
   a	
   configuração	
   seguidora.	
   Considerando	
  que	
  o	
   amplificador	
   operacional	
   é	
   ideal	
  tem-­‐se	
  v+	
  =	
  v−	
  	
  na	
  zona	
  linear.	
  Por	
  análise	
  do	
  circuito	
  verifica-­‐se	
  que	
  v+	
  =	
  vIN	
  	
  e	
  v−	
  =	
  vOUT	
  e	
  vIN=	
  vOUT.	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
	
  
Montagem	
  inversora	
  A	
  figura	
  3	
  mostra	
  a	
  configuração	
  inversora.	
  Considerando	
  que	
  o	
  amplificador	
  operacional	
  é	
  ideal	
  tem-­‐se	
  v+	
  =	
  v−,	
  desta	
  forma	
  v+	
  =	
  v−	
  =0.	
  
 
	
   	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Por	
  outro	
  lado	
  sabemos	
  que	
  não	
  existe	
  corrente	
  na	
  entrada	
  do	
  amplificador	
  operacional,	
  desta	
  forma	
  i1+i2=0:	
  	
  
	
  	
  Obtendo	
  finalmente	
  uma	
  relação	
  inversora	
  (negativa):	
  	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  	
  	
  Figura	
  2:	
  Configuração	
  seguidor	
  de	
  tensão.	
  	
  
	
  	
  	
  	
  	
  Figura	
  3:	
  Configuração	
  inversora.	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  10	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   3/6	
  
Roteiro	
  de	
  laboratório	
  Aula	
  10:	
  
Amplificador	
  Operacional	
  	
  
Lista	
  de	
  material	
  
• Osciloscópio,	
  gerador	
  de	
  sinais	
  e	
  multímetro;	
  
• Resistores	
  R1	
  =	
  100Ω,	
  R2	
  =	
  470Ω,	
  R3	
  =	
  1kΩ,	
  LED	
  e	
  potenciômetro	
  de	
  1kΩ;	
  
• Amplificador	
  operacional	
  UA741	
  ou	
  equivalente.	
  
Instruções	
  A	
  figura	
  abaixo	
  mostra	
  a	
  pinagem	
  do	
  amplificador	
  operacional	
  741	
  no	
  encapsulamento	
  DIP.	
  	
  
	
  
Roteiro	
  da	
  experiência	
  1) Monte	
  o	
  circuito	
  abaixo,	
  utilizando	
  uma	
  alimentação	
  simétrica	
  ±15V	
  e	
  uma	
  entrada	
  triangular	
  
de	
  20Vpp,	
  Vmed	
  =	
  0	
  e	
  1kHz.	
  Inicialmente	
  utilize	
  Vx	
  =	
  0V.	
  	
  	
  
	
  	
  a) Esboce	
  o	
  sinal	
  de	
  saída	
  (CH2)	
  juntamente	
  com	
  o	
  sinal	
  de	
  entrada	
  (CH1),	
  na	
  mesma	
  escala	
  e	
  posição	
   vertical.	
   No	
   gráfico,	
   indique	
   também	
   o	
   valor	
   correspondente	
   a	
   Vx.	
   (Gráficos	
  disponíveis	
  no	
  final	
  do	
  roteiro).	
  b) Altere	
  Vx	
  para	
  5V	
  e	
  repita	
  o	
  item	
  anterior.	
  c) Por	
  que	
  este	
  circuito	
  é	
  chamado	
  de	
  comparador?	
  Explique.	
  (Dica:	
  considerando	
  que	
  tensão	
  alta	
  corresponde	
  a	
  “Sim”	
  e	
  tensão	
  baixa	
  corresponde	
  a	
  “Não”,	
  pode-­‐se	
  afirmar	
  que	
  a	
  saída	
  do	
  circuito	
  fornece	
  a	
  “resposta”	
  a	
  uma	
  certa	
  “pergunta”.	
  Que	
  pergunta	
  é	
  essa?)	
  	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  10	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   4/6	
  
2) Monte	
  o	
  circuito	
  abaixo,	
  utilizando	
  uma	
  alimentação	
  simétrica	
  ±15V	
  e	
  uma	
  entrada	
  senoidal	
  de	
  4Vpp,Vmed	
  =	
  0	
  e	
  1kHz.	
  Mostre	
  a	
  entrada	
  no	
  CH1	
  e	
  a	
  saída	
  no	
  CH2,	
  ambos	
  em	
  acoplamento	
  CC.	
  Deixe	
   ambos	
   os	
   canais	
   na	
   posição	
   vertical	
   de	
   0.00V.	
   Lembre	
   de	
   ajustar	
   o	
   DC	
   OFFSET	
   do	
  gerador	
  de	
  sinais	
  de	
  tal	
  forma	
  que	
  o	
  sinal	
  produzido	
  tenha	
  valor	
  médio	
  aproximadamente	
  nulo.	
  	
  
	
  	
  a) Verifique	
  se	
  a	
  saída	
  do	
  circuito	
  obedece	
  a	
  seguinte	
  relação:	
  	
   𝑉!"#  = 1   + 𝑅!𝑅! 𝑉!"	
  b) Calcule,	
  utilizando	
  a	
  equação	
  anterior,	
  o	
  valor	
  de	
  R2	
  para	
  que	
  o	
  amplificador	
  apresente	
  um	
  ganho	
  igual	
  a	
  4.	
  c) 	
  Substitua	
   o	
   resistor	
   R2	
   pelo	
   potenciômetro	
   e	
   ajuste	
   seu	
   cursor	
   até	
   que	
   o	
   ganho	
   do	
  amplificador	
  seja	
  igual	
  a	
  4.	
  Lembre-­‐se	
  que,	
  para	
  determinar	
  o	
  ganho,	
  basta	
  dividir	
  a	
  tensão	
  de	
  saída	
  (CH2)	
  pela	
   tensão	
  de	
  entrada	
  (CH1).	
  Retire	
  o	
  potenciômetro	
  do	
  circuito	
  e	
  meça	
  a	
  resistência	
  entre	
  os	
  dois	
  terminais	
  utilizados	
  na	
  montagem.	
  O	
  valor	
  medido	
  está	
  próximo	
  ao	
  calculado	
  no	
  item	
  b)?	
  	
  d) Determine	
   os	
   níveis	
   de	
   tensão	
   (positivo	
   e	
   negativo)	
   nos	
   quais	
   ocorre	
   saturação	
   do	
  amplificador	
  operacional.	
  Qual	
  é	
  o	
  maior	
  valor	
  de	
  R2	
  para	
  o	
  qual	
  o	
  circuito	
  amplifica	
  o	
  sinal	
  de	
  entrada	
  sem	
  distorcer?	
  	
  e) (OPCIONAL)	
  Quais	
  das	
  suas	
  respostas	
  aos	
  itens	
  anteriores	
  mudariam	
  caso	
  o	
  sinal	
  de	
  entrada	
  fosse	
  de	
  2Vpp?	
  (OBS:	
  não	
  é	
  preciso	
  refazer	
  as	
  questões,	
  apenas	
  respondê-­‐las	
  teoricamente.)	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  10	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   5/6	
  
	
  	
  	
  Aluno(a):	
  ______________________________________________________.	
   Turma:	
  ______________________	
  Matrícula:	
  _______________________	
  Data:	
  _____/_____/__________	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Nota:	
  ________________________	
  	
  
Questão 1.a) 
	
  
	
  	
  
Questão 1.b) 	
  
	
  
 
Questão 1.d) 	
  	
  	
  	
  	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  10	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   6/6	
  
	
  
Questão 2.b) 	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Questão 2.c) 	
  	
  	
  	
  	
  
 
Questão 2.d) 	
  	
  	
  	
  
 
Opcional: Questão 2.e) 	
  	
  	
  	
  	
  
Questão de preparação 	
  Qual	
  é	
  a	
  relação	
  de	
  VOUT	
  com	
  VIN	
  e	
  no	
  seguinte	
  circuito	
  se	
  R1=R2?	
  É	
  uma	
  configuração	
  inversora	
  ou	
  não	
  inversora?