Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-1 CAPÍTULO II TÉCNICAS DE POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS BIPOLARES 1. Objetivo: O objetivo desse capítulo é sugerir uma técnica abrangente de polarização de amplificadores operacionais bipolares. Técnicas como essa são necessárias para se evitar situações tais como: a) Amplificadores operacionais que são polarizados com corrente insuficiente, ocasionando uma resposta inadequada na configuração a que estão submetidos. b) Amplificadores operacionais que são polarizados com corrente em excesso, ocasionando um consumo demasiado de corrente no circuito da qual fazem parte; e finalmente, c) Para evitar o “famoso”: “chuta qualquer valor!”. 2. Introdução: Os estudantes de engenharia elétrica ou eletrônica, e mesmo os projetistas de circuitos eletrônicos, estão acostumados a consultarem os “data books”, mas muitas vezes fazem uma sub-utilização desses manuais. Quase sempre esses manuais, só são utilizados para se verificar a “pinagem” dos componentes. O que deveria ser incentivado, seria uma utilização mais sensata e consciente dos “data sheets” (folhas de dados) dos componentes. Esse capítulo irá apresentar alguns exemplos práticos baseados em algumas configurações básicas de circuitos que utilizam amplificador operacional. Nesses exemplos serão tratados apenas os aspectos de polarização simples. Não serão levados em conta os aspectos de compensação em freqüência, ou mesmo os aspectos de banda passante, tensões e correntes de offset, impedâncias de entrada e saída, slew rate, fator de ruído, entre outros, mesmo porque estes aspectos fazem parte da escolha do amplificador operacional por parte do projetista, e dependem da aplicação desejada. 3. Exemplos: 3.a Configuração “Buffer” ou Seguidor de Tensão: A configuração “buffer” é de considerável utilidade quando se deseja efetuar um “casamento de impedâncias”, ou mesmo, quando for necessário se efetuar a “medida” de um sinal de fraca intensidade. Isso acontece, por exemplo, ao introduzirmos a ponteira de um POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-2 multímetro, ou mesmo, de um osciloscópio, em determinado circuito. Essa tentativa de medição poderá afetar de um modo radical a intensidade, ou a forma, desse mesmo sinal. A configuração “buffer” é mostrada a seguir na figura 2.1, juntamente com uma fonte de sinal que se pretende que seja tratada: −Vcc Vo +Vcc 1 2 Vs Figura 2.1 Configuração “buffer”, com uma fonte de sinal Vs. Nesse caso, o que se recomenda, é ter um conhecimento maior da fonte de sinal, através de fatores como a amplitude máxima conseguida para sinais periódicos, e principalmente, a sua impedância de saída, como é representado pela figura 2.2. Esses dados geralmente são fornecidos pelo fabricante do equipamento. IB2Vi Rs Vs Vo 1 IB1 2 Figura 2.2 Configuração “buffer”, mostrando uma fonte de sinal Vs, sua impedância de saída Rs, e, as correntes IB1 e IB2 que irão polarizar o amplificador operacional. Se a fonte de sinal Vs apresentar uma razoável impedância de saída é necessário que seja efetuado um “casamento de impedâncias”, como é mostrado na figura 2.3. Em geral, isso é necessário quando Rs apresentar um valor 10 vezes superior ao valor da impedância de saída do amplificador operacional que se pretende utilizar. Esse “casamento de impedâncias” é efetuado através do acréscimo de um resistor R1 na malha de realimentação negativa, como mostrado na figura 2.3. IB2 Vi Rs Vs Vo 1 IB1 2 R1 POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-3 Figura 2.3 Configuração “buffer” mostrando o resistor casador de impedâncias (R1). O desejável é que se consiga que o produto Rs×IB1 seja igual ao produto R1×IB2. A definição do valor de R1 é conseguida através da consulta do “data sheet” do amplificador operacional que se pretende utilizar. Para exemplificar: Vamos supor que tenhamos uma fonte de sinal cuja impedância de saída seja de 45KΩ, e que a escolha do amplificador operacional seja a do LM741C, um dos mais comuns do mercado. O primeiro passo é analisar a estrutura interna do amplificador operacional em questão, e verificar a topologia que constitui as entradas inversora e não-inversora. Isto é conseguido através da consulta dos “data sheet”, como mostrado nas figuras 2.4 e 2.5. Analisando a figura 2.4, constata-se que as entradas inversora e não-inversora são constituídas de dois transistores bipolares, (T1 e T2), configurando um amplificador diferencial. Verifica-se também que estes transistores não são pares Darlington. T3, T4, T10 e T11 fazem parte de uma fonte de corrente, e, T5, T6 e T7 fazem parte de um espelho de corrente. Estando as estradas inversora e não-inversora, configuradas de uma forma amplificador diferencial simples, considera-se uma tensão VBE1 = VBE2 = VBE = 0,7 V; como é típico dos transistores bipolares de silício. Consultando-se a figura 2.5, verifica-se que as correntes de polarização (“input bias current”) IB1 = IB2 = IB, nas piores condições serão de 500nA. Sempre deve-se levar em consideração o “pior caso”. Esse valor de corrente será conhecido de agora em diante por IBMÁX. O que deve ser buscado é a igualdade de correntes nas entradas inversora e não- inversora. Diferenças nestas correntes irão provocar um efeito muito parecido com um “offset” de tensão nas entradas, entre outros. O casamento de impedâncias serve justamente para tentar minimizar esses efeitos. Necessário também frisar que o ideal seria uma fonte de sinal, Vs, com uma impedância de saída muito próxima de zero ou, no máximo, muito parecida com a impedância de saída típica de um amplificador operacional, que é da ordem de 75Ω. POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-4 +Vcc 7 4 Offset Nulo T5 T6 1 R1 1K R3 50K T7 Não Inversora 3 Entrada T2T1 T3 T8 5 T10 R2 1K R4 5K Offset Nulo T11 T22 T4 2 Inversora Entrada T9 R5 39K T12 Saída R12 50K R11 50 T17 T16 7,5K T20 25 R10 50 6 T18C130 pF R7 4,5K R8 T13 T14 T15 R9 -Vcc Figura 2.4 Estrutura interna do amplificador operacional LM741. (National Semiconductor Corporation, 1982, p.3-257). Max Conditions Electrical Characteristics (Note 3) Parameter LM741A/LM741E LM741 LM741C Units Min Typ Max Min Typ Min Typ Max Input Bias Current TA = 25oC TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX nA μA 30 80 80 500 80 500 0.210 1.5 0.8 Note 3: Unless otherwise speci fied, these specifications apply for VS = ±15V, −55oC ≤ T A ≤ +125oC (LM741/LM741A). For the LM741C/LM741E, these specifications are l imited to 0oC ≤ T A ≤ +70oC. Figura 2.5 Porção do “data sheet” da família de Amplificadores Operacionais LM741 da National Semiconductor. (National Semiconductor Corporation, 1982, p.3-258). Admite-se uma queda de tensão no resistor casador de impedâncias R1, da ordem da 10% do valor de VBE dos transistores que constituem o par diferencial das entradas, como segue: V = 0,1 x VR1MAX BE Procura-se agora definir o máximo resistor casador de impedâncias: R1 I = 0,1 VMAX BMAX BE× × ou: POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-5 R1 = 0,1 V I MAX BE BMAX × ...(eq. 2.1) Voltando ao exemplo em questão, e fazendo-se uso da equação 2.1: R1 = 0,1 0,7V 500 nA MAX × ou: R1 =MAX 140 KΩ. Como procura-se a igualdade nas correntes de polarização, então: VR1 = VRs Isto faz com que R1 assuma o mesmo valor de Rs, ou: R1 comercial = 47KΩ. Se, aimpedância de saída (Rs) da fonte de sinal possuísse um valor maior que 140 KΩ, teríamos necessariamente que escolher um outro amplificador operacional, para não causar os efeitos indesejáveis já mencionados. A configuração “buffer” também é utilizada quando se deseja valores de tensão de referência, a partir de divisores de tensão resistivos, como sugere a figura 2.6. R3 R2 IB2 +Vcc R1 I IB1Vi Vo Figura 2.6 O “buffer” como tensão de referência. Para a execução desse circuito se faz necessário algumas considerações de ordem prática. Impõe-se uma corrente I >> IB1. Na prática I ≥ 100 × IBMAX é considerado suficiente. Considera-se também que IB1 ≈ IB2, e que VR3 ≈ 0. Desse modo a tensão na entrada não-inversor terá o mesmo valor da tensão na entrada inversor. Conseqüentemente Vo = Vi., já que Vd ≈ 0. Então: V = V = I R2o i × POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-6 R2 = V I i R1 = Vcc - V I i 3.b Configuração Amplificador Não-Inversor: A figura 2.6 mostra a configuração amplificador não-inversor. Essa configuração é particularmente útil quando se deseja uma amplificação de sinal, sem que este passe por um processo de inversão de fase ou polaridade. Necessário frisar que esta estrutura não proporciona ganhos de tensão inferiores ou iguais à unidade. Vs −VccVi Rs R2 Vo R1 +Vcc 1 2 Figura 2.6 Configuração amplificador não-inversor, com uma fonte de sinal Vs e sua impedância de saída Rs. A figura 2.7 mostra uma configuração prática para o circuito amplificador não- inversor. Nesse circuito se faz presente um resistor R3, cujo objetivo é minimizar os efeitos de diferentes correntes IB1 e IB2. Rs Vs Vd IB2 Vi R2 R1 Vi VoI 1 IB1R3 2 ∼ Figura 7 Circuito prático para uma configuração não-inversor. Para a execução dessa configuração se faz necessário algumas considerações de ordem prática. Impõe-se uma corrente I >> IB1. Na prática I ≥ 100 × IBMAX é considerado suficiente. Considera-se também que IB1 ≈ IB2, e que VR3 ≈ 0. Desse modo a tensão na entrada não-inversor terá o mesmo valor da tensão no resistor R2, já que Vd ≈ 0, ou, Vi = VR2. POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-7 Exemplificando: Suponhamos que se queira dar um ganho de 10 na forma de onda periódica da figura 2.8, através de uma configuração amplificador não-inversor, utilizando-se o amplificador operacional LM741C. Para tornar o exemplo mais completo, vamos supor que esta fonte de sinal tenha uma impedância de saída Rs cujo valor seja de 47KΩ, como já foi feito no exemplo anterior. −0,1 +0,1 0 V(Volts) t Figura 2.8 Forma de onda periódica a ser utilizada como sinal. Procedimento: Verifica-se qual o maior valor em módulo de tensão Vi, e levando-se em consideração o exposto anteriormente, faz-se: R2 = V I i Nota: A equação anterior também é válida quando Vi possuir características assimétricas. Em geral, a regra adotada é a mostrada na figura 2.9. POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-8 V(Volts) 0 t V(Volts) 0 V(Volts) t 0 t Vi Vi Vi Figura 2.9 Formas de ondas periódicas. Como visto anteriormente, I ≥ 100 × IBMAX. Então: R2 ≤ V 100 I i BMAX× ...(eq. 2.2) O valor de IBMAX é conseguido consultando-se o “input bias current” no “data sheet” do amplificador operacional em questão, cuja porção é mostrada na figura 2.5. Sempre deve ser levado em consideração o “pior caso”, como já visto na configuração “buffer”. Nesse caso, IBMAX = 500nA. R2 ≤ 0 1, V 100 500nA× R2 ≤ 2.000Ω Assume-se o valor comercial imediatamente inferior, ou: R2 = 1K8 Ω. POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-9 Necessita-se agora saber qual o valor máximo da tensão de saída Vo: Vo = AV × Vi ...(eq. 2.3) Onde: AV = Ganho em tensão desejado da estrutura. Então: Vo = 10 × 0,1V = 1V Recorrendo-se à expressão que define a tensão de saída Vo: V = R1 + R2 R2 Vo i× , e isolando-se R1, temos que: R1 = R2 V V o i −⎛⎝⎜ ⎞ ⎠⎟1 ...(eq. 2.4) ou: ( )R1 = R2 A - 1V ...(eq. 2.5) Resolvendo para o exemplo em questão: ( )R1 = 1K8 10 - 1 = 16.200Ω. Esse resistor se encontra na faixa de dois resistores comerciais facilmente encontrados: 15KΩ e 18KΩ. Se escolhermos o resistor de 15KΩ, esta escolha irá proporcionar, pela equação 2.5, um ganho de 9,33. Por outro lado, se escolhermos o resistor de 18KΩ, esta escolha irá proporcionar, pela mesma equação, um ganho de 11. A escolha ficará a critério do projetista, e da finalidade a que se destina o circuito a ser projetado. Aproximações melhores serão conseguidas através da combinação de resistores em série, ou de resistor e “trimpot”. Se a escolha for a de resistores em série, aconselha-se o uso de no máximo dois resistores. O resistor R3 é o resultado da “thevenização” do circuito: R3 = R1 R2 ...(eq. 2.6) Substituindo-se para o exemplo em questão, e supondo que a escolha de R1 tenha sido de 15KΩ: R3 = 15.000 1.800 = 1.607,14 .Ω POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-10 Para este resistor o critério de escolha é o valor comercial mais próximo, já que ele é necessário para uma tentativa de equalização das correntes que irão polarizar a configuração. A escolha natural será o de 1K5Ω. O exemplo estaria completo se, a fonte de sinal Vs não apresentasse uma impedância de saída Rs tão alta. Nesses casos, se faz necessário o acréscimo da configuração “buffer”, desempenhando o papel de um casador de impedâncias, antecedendo R3, como mostrado na figura 2.10. Vi Rs Vs R4 IB2 R2 R1 Vo R3 IB11 2 Figura 2.10 Configuração amplificador não-inversor, mostrando um circuito casador de impedâncias constituído pela configuração “buffer”. O critério que verifica a necessidade do casamento de impedâncias é ditado por: Rs + R3 ≈ R1//R2. Quando não for possível satisfazer esse critério, haverá a necessidade de se efetuar o casamento de impedâncias. Não há necessidade de se efetuar o casamento de impedâncias quando Rs apresentar um valor muito próximo da impedância de saída de um amplificador operacional típico, que é em torno de 75Ω. Do mesmo modo, não há necessidade da presença do resistor R3, quando o seu valor girar em torno de 75Ω. O projeto da configuração “buffer” é feito como mostrado anteriormente no ítem 3.a. Nesse exemplo em particular, R4 assumiria um valor de 47KΩ. 3.c Configuração Amplificador Inversor: A configuração amplificador inversor, mostrada na figura 2.11, é particularmente útil, quando se deseja amplificar um determinado sinal com a sua eventual inversão de polaridade, ou inversão de fase. POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-11 Rs Vs −VccVi Vo +Vcc R2 R11 2 Figura 2.11 Configuração amplificador inversor, com uma fonte de sinal Vs e sua impedância de saída Rs. A figura 2.12 mostra uma configuração prática para o circuito amplificador inversor. Nesse circuito se faz presente um resistor R3, como na configuração amplificador não-inversor, cujo objetivo é minimizar os efeitos de diferentes correntes IB1 e IB2. Vs Rs Vd OV Vi IB1 R3 Vo 1 IB2R1 IR1 IR2 2 R2 Figura 2.12 Circuito prático para uma configuração Inversor. Como visto nas configurações anteriores, também aqui, se faz necessário algumas considerações de ordem prática. Impõe-se uma corrente IR1 >> IB1. Na prática IR1 ≥ 100 × IBMAX é considerado suficiente. Considera-se também que IB1 ≈ IB2, e que VR3 ≈ 0. Outras considerações:a tensão diferencial Vd = 0, e a tensão na entrada inversora, neste caso em particular, conhecido como “terra virtual”, também assume valor zero. Como visto anteriormente, se IB2 é considerado irrelevante, então IR1 = IR2. Exemplificando: Suponhamos que se queira conseguir um ganho de 20 na forma de onda periódica da figura 2.8, através de uma configuração inversora, utilizando-se o amplificador operacional LM741C. Vamos supor também que a fonte de sinal Vs, possua uma impedância de saída Rs cujo valor seja de 47KΩ. Este exemplo é uma variante dos já apresentados anteriormente. POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-12 Procedimento: Verifica-se qual o maior valor de Vi (em módulo), e levando-se em consideração o que foi exposto anteriormente, faz-se: R1 = V I i R1 ...(eq. 2.7) Como já exposto anteriormente: IR2 = IR1 ≥ 100 × IBMAX, então: R1 ≤ V 100 I i BMAX× ...(eq. 2.8) No exemplo em questão IBMAX = 500nA. Substituindo-se estes dados na equação 2.8: R1 ≤ 0,1V 100 500nA× R1 ≤ 2.000Ω. Assume-se o valor comercial imediatamente inferior, ou: R1 = 1K8Ω. Recorrendo-se à equação que define a tensão de saída Vo para essa configuração: V = - R2 R1 Vo i× , e isolando-se R2, em módulo: R2 = V V R1o i × ...(eq. 2.9) ou: R2 = A R1V × ...(eq. 2.10) Resolvendo para o exemplo em questão: R2 = 20 × 1K8 = 36.000Ω. Esse resistor se encontra na faixa de dois resistores comerciais facilmente encontrados: 33KΩ e 39KΩ. Se escolhermos o resistor de 33KΩ, esta escolha irá proporcionar, pela equação 10, um ganho de 18,33. Por outro lado, se escolhermos o resistor de 39KΩ, esta POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-13 escolha irá proporcionar um ganho de 21,67. A escolha final ficará a critério do projetista, e da finalidade a que se destina o circuito a ser projetado. Como já comentando anteriormente, aproximações melhores serão conseguidas através da combinação de resistores, ou da combinação de resistor e “trimpot”. O resistor R3 é o resultado da “thevenização” do circuito: R3 = R1 R2 ...(eq. 2.11) Substituindo-se para o exemplo em questão, e supondo que a escolha de R2 tenha sido de 39KΩ. R3 = 1K8 39K = 1.720,58 .Ω Também para este resistor, escolhe-se o valor comercial mais próximo, ou seja: R3 = 1K8Ω. No caso do amplificador inversor, quando a impedância de saída Rs apresentar um valor superior à impedância de saída normal de um amplificador operacional típico, que é em torno de 75Ω, haverá a necessidade de se acrescentar um circuito casador de impedâncias, no caso a configuração “buffer”, como mostrado na figura 2.14. Rs Vs R4 Vi IB1 R3 Vo IB2R11 2 R2 Figura 2.14 Configuração amplificador inversor, mostrando um circuito casador de impedâncias constituído pela configuração “buffer”. 3.d Amplificador Somador Não-Inversor A figura 2.15 mostra uma configuração amplificador somador não-inversor com duas entradas. As equações para essa configuração já foram desenvolvidas no Capítulo I, e tiveram um tratamento genérico. POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-14 Na maior parte das vezes, apenas se quer somar dois sinais que estão presentes nas entradas (figura 2.15), então a equação 1.4, assume a seguinte característica: V = 1 R4 R3 + R4 R1+ R2 V2R1+ V1R2o × × Quando R1=R2=R3=R4=R V = 1 R R + R R + R V2R + V1Ro × × V = 1 R 2R 2R V2R + V1Ro × × V = V1+ V2o V2 Vi R4 Vi VoI R3 R1 R2 V1 Figura 2.15 Configuração amplificador somador não-inversor com duas entradas. Para a implementação desse caso particular (aplica-se o Princípio da Superposição), basta verificar qual das duas entradas possui o menor Vi. (verificar figura 2.9). I ≥ 100 × IBMÁX R V I i≤ Outra situação particular seria a soma de dois sinais na entrada e também se querer dar um ganho na soma final: Nesse caso, utiliza-se a equação do amplificador não-inversor simples no estágio de saída. Av = R3 + R4 R4 R4 V I i≤ (ver figura 2.9) R1 = R2 = R4 POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-15 R3 = R4(Av - 1) Para esse caso haverá a necessidade de se efetuar o casamento de impedâncias como mostrado na figura 2.16, onde R5 cumpre o papel de resistor casador de impedâncias entre a entrada inversora e a não-inversora, e tem como valor: R5 = R3 R4 - R1 R2 R2 V2 R1 V1 R4 Vo R3 R5 Figura 2.16 Configuração amplificador somador não-inversor com duas entradas, com um resistor casador de impedâncias (R5). Obs.: Casos particulares com mais de duas entradas terão de ter um tratamento diferenciado, mas não muito diferente do descrito anteriormente. 3.e Amplificador Somador Inversor A figura 2.17 mostra uma configuração amplificador somador inversor de caráter prático. IR3 V2 R4 V1 R1 R2 IR1 IR2 Vo R3 Figura 2.17 Configuração amplificador somador inversor com duas entradas. Também para este caso, quase sempre apenas se quer somar os sinais V1 e V2, então a equação 1.5, reproduzida a seguir, é utilizada da seguinte forma: V = -R3 V1 R1 V2 R2 o +⎛⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ Quando R1 = R2 = R3 = R POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-16 V = -R V1 R V2 R o +⎛⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ ( )V = - V1+ V2o Para a execução dessa configuração (aplica-se o Princípio da Superposição), basta saber qual das duas entradas possui o menor Vi. (verificar figura 2.9). I ≥ 100 × IBMÁX R V I i≤ R4 = R1 R2 R3 R 3 = Outra situação particular seria a soma de dois sinais na entrada acompanhada de um ganho na soma final: R1 = R2 V I i≤ R3 = Av R1× R4 = R1 R2 R3 Também se pode dar ganho individualizado, como mostrado no exemplo a seguir: Amplificador Operacional: LM 741 IBMÁX = 500nA Características para V1: Vi = 0,1V Av1 = 10 Características para V2: Vi = 0,2V Av2 = 4 Resolução: I ≥ 100 × IBMÁX I ≥ 100 × 500nA I ≥ 50μA 1a. aproximação: R1 = V 1 I i R1 = 0,1V 50 Aμ R1 = 2.000Ω R3 = Av1 R1× R3 = 10 × 2000Ω R3 = 20.000Ω POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-17 R2 = R3 Av2 R2 = 20.000 4 Ω R2 = 5.000Ω Verificação da corrente I para V2: I = Vi2 R2 V 5.000 A= =0 2 40, Ω μ 2a. aproximação: R2 = V 2 I i R2 = 0,2V 50 Aμ R2 = 4.000Ω R3 = Av2 R2× R3 = 4 × 4000Ω R3 = 16.000Ω R1 = R3 Av1 R1 = 16.000 10 Ω R1 = 1.600Ω Verificação da corrente I para V1: I = Vi1 R1 V 1.600 A= =0 1 62 5, ,Ω μ A única aproximação que satisfaz a todos os requisitos das correntes é a segunda. A partir de então, procede-se a escolha dos componentes comerciais R2 V 2 I i≤ R2 0,2V 50 A ≤ μ R2 ≤ 4.000Ω R2 = 3K9Ω R3 = Av2 R2× R3 = 4 × 3.900Ω R3 = 15.600Ω R3 = 15KΩ R3 também pode ser a associação série de: 15KΩ + 560Ω = 15.560Ω. R1 = R3 Av1 R1 = 15.000 10 Ω R1 = 1.500Ω R1 = 1K5Ω R4 = R1 R2 R3 R4 = 1K5 3K9 15K = 1 010. Ω R4 = 1KΩ Para esse componente, a escolha recai sobre o valor comercial mais próximo. Obs.: Casos particulares com mais de duas entradas também são possíveis, basta ampliar os métodos utilizados anteriormente. POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-18 3.f Amplificador Diferencial A figura 2.18 mostra uma configuração amplificador diferencial de duas entradas. R3 IR3 V2 IR4 R4 Vi2 Vo V1 R1 IR1 IR2 Vi1 R2 Figura 2.18 Configuraçãoamplificador diferencial de duas entradas. Como visto nos dois casos anteriores, também para esse, quase sempre, apenas temos dois sinais nas suas entradas. Quando R1 = R2 = R3 = R4 = R A equação 1.7, fica resumida para: V = 1 R1 R1+ R2 R3 + R4 V2R4 - V1R2o ×⎛⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ V = 1 R R + R R + R V2R - V1Ro ×⎛⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ V = V2 - V1o Para projetos, essa configuração fica melhor compreendida através do Princípio da Superposição, como é mostrado nos exemplos subseqüentes. Exemplo: Amplificador Operacional: LM 741 IBMÁX = 500nA Características para V1: Vi = 1V Características para V2: Vi = 1,5V Somar as entradas Resolução: 1a. aproximação: Aplica-se o Princípio da Superposição para V1, conforme figura 2.19. POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-19 R3||R4 Vo1 V1 R1 R2 Figura 2.19 Princípio da Superposição aplicado para um amplificador diferencial de duas entradas. I ≥ 100 × IBMÁX I ≥ 100 × 500nA I ≥ 50μA R1 = V I i1 R1 = 1V 50 Aμ R1= R2 = 20.000Ω 2a. aproximação: Aplica-se o Princípio da Superposição para V2, conforme figura 2.20. V2 IR3 R4IR4 R3 V R1 V R2 Vo2 I Figura 2.20 Princípio da Superposição aplicado para um amplificador diferencial de duas entradas. R4 = R1 = R2 = R3 = V I V 2I i2= R4 = R1 = R2 = R3 = 1,5V 2 50 A× =μ 15 000. Ω Como a 2a. aproximação foi a que apresentou os menores valores de resistores, proporcionando portanto, maior quantidade de corrente de polarização, é esta a escolha que deve ser feita. Como o valor conseguido na aproximação já é um valor comercial, deverá ser esse o valor que deve ser adotado na estrutura. Nessa estrutura também é possível se efetuar a diferença de dois sinais aplicados nas suas entradas, e dar um ganho geral, como no exemplo a seguir: POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-20 Exemplo: Amplificador Operacional: LM 741 IBMÁX = 500nA Características para V1: Vi = 1V Características para V2: Vi = 1,5V Somar as entradas e proporcionar um ganho (Av) de 4 na soma resultante. Resolucão: Aplicando-se o Princípio da Superposição, segundo a figura 2.19. I ≥ 100 × IBMÁX I ≥ 100 × 500nA I ≥ 50μA R1 V I i1≤ R1 1V 50 A ≤ μ R1 20.000≤ Ω R1 = 18KΩ R2 = Av R1× R2 = 4 18.000× Ω R2 = 72.000Ω R2 = 68KΩ Uma melhor aproximação para R2, seria a associação série de 68KΩ + 3K9Ω = 71.900Ω. Usando novamente o Princípio da Superposição, e se fazendo uso da figura 2.20, como mostrado na figura 2.21, atualizada para a entrada V2. Vi2 = 1,5V IR3 R4IR4 R3 V R1 = 18KΩ V = 1,26V R2 = 68KΩ Vo2 = 6V Figura 2.21 Princípio da Superposição aplicado para um amplificador diferencial de duas entradas, para o exemplo. Aplicando-se a técnica do divisor de tensão em R1: V = V R1 R1+ R2 o2 × V = 6V 18K 18K + 68K × Ω Ω Ω V = 1,26V POLARIZAÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CAPÍTULO II - AO-D II-21 R4 V I ≤ R4 1,26V 50 A ≤ μ R4 25.200≤ Ω R4 = 22KΩ I = V R4 R4 I = 1,26V 22K R4 Ω I I = 57,27 AR3 R4≈ μ R3 = V - V I i2 R3 R3 = 1,5 -1,26 57,27 Aμ R3 = 4.190Ω R3 = 3K9Ω Uma melhor aproximação para R3, seria a associação série de 3K9Ω + 270Ω = 4.170Ω. Nesse exemplo em particular ainda falta se efetuar o casamento de impedâncias entre a entrada inversora e a não-inversora. Aplicando-se o Teorema de Thévenin para as duas entradas: A entrada inversora “enxerga” R1 em paralelo com R2. R1 R2 = =18 000 6 800 4 935. . .Ω Ω Ω A entrada não-inversora “enxerga” R3 em paralelo com R4. R3 R4 = =3 900 22 000 3 312. . .Ω Ω Ω Existe então, uma diferença de 1623Ω entre as duas entradas. É aconselhável se acrescentar este valor (R5 comercial = 1K5Ω) na entrada não-inversora, como é mostrado na figura 2.22. Existirão casos onde essa compensação será necessária na entrada inversora. R3 V2 R4 V1 R1 Vo R2 R5 Figura 2.22 Configuração amplificador diferencial de duas entradas, com um resistor (R5) casador de impedâncias.
Compartilhar