Projetando com Realimentação em Amplificadores

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Projetando com Realimentação 
 
Nas entradas, a corrente de entrada controla a proporção de cada entrada. 
 
Quanto menor for o resistor, mais importante é a entrada. 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 1 
A pergunta no final da última aula foi como projetar com realimentação. Veremos alguns exemplos, mas 
concentremo-nos nos essenciais. A entrada não-inversora pode coletar qualquer número de sinais, e estes 
serão adicionados à saída. A entrada inversora também pode coletar qualquer número de sinais, e estes 
serão subtraídos na saída. A importância de qualquer sinal é determinada pela corrente daquele sinal em 
qualquer entrada (lembre-se de que a entrada tem uma impedância constante e, portanto, a corrente 
controla a tensão interna). A rede de realimentação configura o ganho global. 
rede de 
realimentação 
Entrada negativa 
Entrada positiva saída 
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A realimentação determina o ganho #1 
Se independente de freqüência (um resistor), então configura o 
ganho para todos os formatos de onda. 
Se dependente da freqüência (capacitor, indutor, filtro), 
configuramos o ganho independentemente para cada componente de 
freqüência. 
 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 2 
É evidente que a realimentação configura um ganho constante de freqüência se ela é composta de um 
componente independente de freqüência (um resistor). Se a alça de realimentação é freqüência -
dependente, então o ganho irá variar com a freqüência. No exemplo acima, o resistor configura o ganho 
para a maioria das freqüências, mas o circuito LC é curto em ressonância (2p/LC) e, dessa forma, esse 
componente de freqüência é suprimido. Observe que, quando a corrente de realimentação é aumentada, o 
ganho é reduzido. 
passa apenas 1 
freqüência 
realimentação forte na freqüência de ressonância e, 
dessa forma, suprime-a na saída. 
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A realimentação determina o ganho #2 
 
 
 
A realimentação é R, exceto na freqüência de ressonância, onde ela é 
feita mais alta. Essa seletividade amplifica a freqüência de 
ressonância. 
\Pode amplificar por adição/subtração, e faz isso seletivamente da 
entrada e seletivamente da freqüência. 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais e3 
Aqui, conseguimos exatamente o contrário, o circuito de ressonância suprime a freqüência de ressonância 
(passa todas as outras) e, portanto, a corrente de realimentação é suprimida na freqüência de ressonância 
e, dessa forma, o ganho é mais alto aí. 
bloqueia apenas freqüência de ressonância 
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Amplificador somador 
 
 
 
Use a regra que diz que a corrente I- é zero. 
Para evitar erros de desvio, coloque R = R1||R2||RF para gnd da 
entrada não-inversora. 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 1 
O amplificador somador é uma versão ligeiramente mais complicada do amplificador inversor, mas agora 
existem duas fontes de tensão contribuindo para a entrada. Mais uma vez, precisamos simplesmente que a 
soma das correntes na entrada inversora seja zero, e usaremos a álgebra para mostrar que isso na verdade 
atua na soma das entradas. Observe que os respectivos resistores determinam como cada tensão contribui 
e a razão de resistor de realimentação para os resistores de entrada fornece o ganho. 
Se entã
o 
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Amplificador “substrator” 
 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 5 
Aqui, desejamos observar a diferença das duas entradas (exatamente o que um amplif. operacional deve 
fazer), mas com um ganho mais baixo do que o que seria observado se alimentássemos o amplif. 
operacional diretamente. Para analisar isso, usamos as duas regras (1) de que a corrente na entrada 
inversora é zero, e (2) que as tensões são iguais. Observe que, nesse caso, quando calculamos as 
correntes, não podemos assumir que a tensão no amplif. operacional seja zero (nada é puxado à terra 
nesse caso). Portanto, no cálculo da corrente na entrada inversora, introduzimos a tensão inversora como 
um parâmetro livre. É evidente que isso será configurado posteriormente para a tensão na entrada não-
inversora, que é conhecida. 
Agora devemos usar as duas 
regras, (1)V+ - V- é igual a 
zero, e (2) que a corrente I- 
é zero. 
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Integrador 
 
 
A constante de tempo é 1/RC. 
 
O resistor de realimentação fornece um caminho CC para 
estabilidade. 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 6 
Um integrador mostra o que podemos conseguir com uma realimentação dependente de freqüência. Nesse 
caso o caminho de realimentação, você deve estar atento ao capacitor (o resistor de 10 MW é incluído 
para fornecer um caminho de realimentação para sinais CC e, dessa forma, fornecer estabilidade para o 
amplif. operacional – esqueça isso por enquanto). Uma forma de se pensar nisso é imaginar que o 
capacitor carrega e fornece um desvio de tensão entre a saída e a entrada. A razão de carga depende da 
constante de tempo RC. Mais uma vez, o circuito é analisado configurando-se as correntes iguais e então 
integrando-as para descobrir a tensão de saída. À medida que R ou C é aumentado, a razão de carga 
diminui. 
exemplo de 
formato de onda 
C é dependente da 
freqüência 
retroalimentação, 
Z=-1/wC. 
Use a regra que diz 
que a corrente I- é 
zero. 
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Integrador 
 
 
 
Assuma que a forma de onda é mais complexa, e que queremos 
integrar por um período fixo de tempo e então reiniciar o integrador 
e começar novamente. 
1. O que é necessário fazer com o circuito para reiniciar o 
integrador? 
2. Usando um JFET, como você faz isso? 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 7 
Apenas um problema para refletir e ajudar você a se lembrar que os JFETs são dispositivos úteis também. 
Na verdade, para essa aplicação, um MOSFET ou JFET é muito melhor que um BJT. 
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Diferenciador 
 
 
Use a regra que diz que a corrente I- é zero. 
O capacitor de realimentação fornece um caminho de alta freqüência 
para estabilidade. Observe que, a altas freqüências, ele se torna um 
integrador. 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 8 
O diferenciador tem o capacitor na entrada com um resistor de realimentação. Mais uma vez, observamos 
as correntes correspondentes indo para a entrada inversora, e vemos que a tensão de saída é derivada da 
tensão de entrada. Mais uma vez, a constante de tempo é simplesmente a constante de tempo RC. O 
capacitor de 100 pF fornece estabilidade de alta freqüência (evita a oscilação do circuito). 
exemplo de 
formato de onda 
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Realimentação positiva 
 
 
Observe os valores de Vent 
necessários para V+ =0 
Realimentação positiva significa que o 
amplif. operacional está saturado e, 
portanto, não podemos usar as mesmas 
regras que usamos para realimentação 
negativa. Lembre-se de que as regras de 
realimentação negativa foram 
desenvolvidas porque o amplif. 
operacional encontrou um ponto 
operacional equilibrado: esse não é 
mais o caso. 
 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 9 
A realimentação positiva impulsiona o amplif. operacional à saturação mais rápido do que normalmente 
iria. Observe que parte da saída é alimentada para a entrada não-inversora. 
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Realimentação Positiva 
A realimentação positiva impulsiona o amplif. operacional à 
saturação com mais força. 
 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 1 
Aqui temos outro exemplo de histerese. Explicarei isso no quadro e distribuirei outra página de notas. O 
conceito de histerese é observado nas propriedades de comutação. Quando a saída está saturada a +Vcc, a 
tensão de entrada deve ser levada para baixo até – R1/R2 Vcc para comutar, mas quando a saída é –Vcc, aentrada comuta a +R1/R2. Portanto, entre esses dois pontos de comutação, não sabemos (simplesmente 
olhando para Vent) se a saída é positiva ou negativa – isso depende do histórico. O slide está mal feito, 
portanto vejam as notas que eu entregarei até o final deste tópico. 
Observe os valores de Vent 
necessários para V+ =0 
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Realimentação Positiva 
 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 1 
Observe que, essencialmente, não há corrente 
em V+. 
\A corrente através dos resistores é 
e a queda de tensão através de R2 é 
\a tensão em V+ é 
Queremos descobrir Vent quando V+ =0 (entãoV+ = V-) 
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Uma figura circuito interno do Amplificador 
Operacional 
 
 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 12 
Um esquema simplificado circuito interno, modelo 741. Não é fácil passar por esse ponto, mas, com as 
seções identificadas, você vai conseguir ter uma idéia. 
Diagrama Esquemático 
amp. diferencial amp. de 
tensão de 
alto ganho 
amp. de saída de 
baixa impedância 
esquema retirado das 
folhas de dados do 741 
na página do National 
Semiconductor na 
Internet. 
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Especificações do amplif. operacional 
 
· CMRR – razão de rejeição de modo comum. Os amplif. 
operacionals também amplificam a média de V+ + V-, CMRR 
mede a atenuação disso. 
· Ganho de tensão (AV) – tipicamente 104 a 106 (80 a 120 dB). 
· Taxa de subida – Taxa máxima de mudança da tensão de saída 
com o passar do tempo. 
· Freqüência de ganho unitário (fT) = freqüência na qual o ganho 
cai para 1. 
· Corrente de saída – corrente máxima que o amplif. operacional 
pode fornecer. 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 13 
Características para se pensar ao escolher o amplif. operacional. Existem várias opções, com projetos 
otimizados para: (1) linearidade 
(2) velocidade de comutação 
(3) aplicações de alta freqüência 
(4) baixos sinais de modo comum 
(5) faixas de potência 
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Especificações típicas de amplif. operacionais 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 14 
 
Alguns exemplos comuns de amplif. operacionals. O laboratório usa o 741. 
 tensão de 
fornecimento 
corrente de 
fornecimento 
desvio de 
tensão 
Slew-rate fT CMRR ganho corrente 
de saída 
dispositivo mín (V) máx (V) mA mV V/ms MHz dB dB mA 
741C bipolar 10 36 2,8 2 0,5 1,2 70 86 20 
MOSFET 
CA3420A 
2 22 1 2 0,5 0,5 60 86 2 
JFET LF411 10 36 3,4 0,8 15 15 70 70 30 
LM10 bipolar 1 45 0,4 0,3 0,12 0,12 93 93 20 
 
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Compensação de desvio 
Ajuste de tensão de desvio de entrada. 
 
 
Junte as entradas em curto-circuito e ajuste o potenciômetro 
para zero na saída. 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 15 
Existem pinos adicionais no 741 para ajustes e desvio nulo. Este pode ser usado para corrigir não-
correspondências entre correntes nas entradas, então, se as cargas da fonte não forem as mesmas, você 
pode remover a polarização do amplif. operacional dessa forma. 
entrada +
entrada - 
saída 
desvio nulo 
desvio nulo 
saída 
entrada - 
entrada + 
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Compensação de desvio 
 
Ajuste de tensão de desvio de entrada. 
 
 
A corrente de polarização de entrada (-) introduz um desvio de 
tensão de saída. A resistência de compensação equilibra isso. Não é 
necessário com amplif. operacionais FET (pA), mas importante para 
dispositivos bipolares (nA). 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 16 
Esse é um método melhor para corrigir polarização de desvio. Já que dispositivos FET possuem correntes 
de entrada bastante baixas isso raramente é necessário, mas com dispositivos BJT os desvios são 
facilmente observados. 
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Largura de banda de potência do amplif. operacional 
 
É a slew-rate que determina a largura de banda de potência de um 
amplif. operacional, então, reduzindo-se a ganho de um 
amplificador, é possível aumentar a respostas de freqüência. 
 
fmáx = 
Portanto, para uma slew-rate de 5V/ms e uma tensão de saída de pico 
de 10 V, a freqüência máxima de uma onda senoidal não-distorcida é 
de 80 kHz. 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 17 
A slew-rate reporta as propriedades dinâmicas de um amplif. operacional (a velocidade com que a saída 
pode variar). Já que isso é mais bem relatado em volts/tempo, ele não fornece diretamente um limite na 
freqüência. Contudo, em combinação com o tamanho do sinal de saída, fornece um limite. 
slew-rate . 
2p tensão de saída de pico 
19 18-22 
Entre no site do fabricante para obter um manual dos produtos. Favor seguir estas etapas: 
1. Vá para o site de National Semiconductor: http://www.national.com/ 
2. Veja as condições de uso do site, visitando o link “Site Terms and Conditions of Use” da 
página inicial, ou entrando neste link: 
http://www.national.com/webteam/site_terms_of_use.html 
3. Volte à página inicial. 
4. Na caixa de busca, digite o número do produto (LM741) de um Amplificador Operacional 
específico, e clique em “go”. 
5. Várias opções serão apresentadas a você (por exemplo, visualizar online, download PDF ou 
email). Selecione o meio pelo qual você gostaria de receber o manual. 
Slide 23 
 
 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 23 
Aqui, um amplif. operacional é usado como regulador de tensão. O circuito básico que vimos 
anteriormente com o zener alimentando diretamente o BJT. Com o amplif. operacional, vemos que há um 
caminho de realimentação (portanto podemos usar as regras de realimentação). As tensões nas duas 
entradas devem ser as mesmas, portanto a entrada inversora tem a tensão de zener através dela. Já que a 
impedância de entrada no amplif. operacional é muito alta, a corrente através de R1 é a mesma que a que 
passa por R2, e a tensão de saída é mantida como aquela mostrada na figura. 
não-reg 
Amplificad
or de erro 
rede de 
Amostragem 
de Saída 
Slide 24 
 
Projetando com Realimentação 
 
 
 
 
 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 24 
Aqui está uma versão ligeiramente mais complicada do mesmo circuito. Identifique o caminho de 
realimentação e diga por que Rs é importante. 
não-reg 
Amplificado
r de erro 
rede de 
Amostrage
m de Saída 
Controle de 
derivação 
Slide 25 
 
Drivers de Saída 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 25 
Um amplif. operacional atuando como um comutador. 
Aqui, a carga está ligada ou 
desligada. Assim, é útil 
empregar uma alimentação de 
lado único. Escolha o resistor 
para fornecer a corrente 
correta para o dispositivo. 
vibrador 
Slide 26 
 
Drivers de Saída 
 
 
 
 
 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 26 
Rcarga 
Nos casos em que mais 
potência é necessária, o 
amplif. operacional pode 
alimentar um transistor 
(ou FET). O diodo de base 
evita ruptura reversa de 
base-emissor. 
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Drivers de Saída TTL 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 27 
Os amplif. operacionals 
também são úteis para 
fazer a interface para 
eletrônica digital, o resistor 
de 10 k atua como um 
resistor de elevação 
razão de virada 
(“pull-up”). 
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Comparadores múltiplos 
 
 
 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 28 
A tensão de referência dos 
comparadores aumenta à 
medida que você sobe pela 
lista. O resistor variável 
determina a faixa. Os LEDs 
se acendem à medida que o 
comparador correspondente é 
ligado. 
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Drivers potência CA6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 29 
Um par de transistores pode 
fornecer uma fonte de 
corrente maior que o amplif. 
operacional típico. Observe 
que o elo de realimentação 
inclui o par de transistores. 
Slide 30 
 
Conversor de tensão para corrente 
 
 
 
 
Assim, ajustando-se Vent, é possível configurar a corrente através da 
carga. 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 30 
Nós já vimos o amplificador 
não-inversor e descobrimos 
que ele tem um ganho de: 
A corrente é, portanto: 
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Conversor de corrente para tensão 
 
 
 
 
 
O resistor de realimentação ajusta a proporcionalidade entre a 
corrente de entrada e a tensão de saída. 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 31 
Exploramos o amplificador 
inversor para uma fonte de 
tensão. A situação é 
bastante semelhante para 
uma fonte de corrente. 
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Amplif. operacional de ganho programável 
 
 
 
 
Um conjunto conveniente de valores de resistor está na razão de 
1 : 2 : 4 : 8 para selecionar (1-15) 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 32 
O CMOS IC 4066 é um conjunto 
de comutadores bilaterais 
controlados digitalmente. Assim, 
com 4 bits, é possível selecionar 
uma variedade de resistores de 
realimentação. A resistência de 
realimentação efetiva é a 
combinação paralela de todas as 
selecionadas. 
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Amostra e retenção 
 
 
amostra 
Ligar o MOSFET permite ao capacitor carregar (com uma constante 
de tempo 1/RC). Quando o FET está aberto, o capacitor retém sua 
carga (exceto por fuga para a entrada não-inversora), e essa tensão é 
reproduzida na saída. Use um amplif. operacional MOSFET para ter 
uma corrente de fuga baixa. 
 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 1 
Amostra uma tensão e a 
retém, de forma que se 
possa fazer uma medição 
precisa. 
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Detector de pico 
 
 
 
 
Observe que a alça de realimentação do amortecedor inclui o diodo, 
isso remove a queda de 0,6V que, do contrário, seria observada. 
 
6.071 Introdução aos Amplificadores Operacionais 1 
 
reiniciar 
O diodo permite ao capacitor amostrar o 
valor mais alto da tensão de entrada. 
Assim, a saída é a tensão de entrada 
máxima desde a última reinicialização.