Experimento Amplificadores operacionais

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CENTRO UNIVERSITÁRIO INTERNACIONAL UNINTER
ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA
BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
DISCIPLINA DE INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA
eXPERIMENTO 01: aMPLIFICADORES OPERACIONAIS – aNALISE DE CIRCUITOS E COMPROVAÇÕES de ganho.
aluno: 
professor: Marco túlio corrêa de siqueira
CANOINHAS - SC
2018
SUMÁRIO:
1.	Resumo:	3
2.	Introdução:	3
2.1.	Especificações do Amp Op LM358:	4
2.2.	Características elétricas:	5
3.	Experimento 01: Circuito Amplificador Inversor:	6
3.1.	Experimento prático:	7
4.	Experimento 02: Circuito amplificador Não Inversor	10
5.	Conclusão:	13
Resumo:
Este experimento se destina a analise e comprovação dos sinais elétricos e ganhos dos amplificadores operacionais. Serão feitos testes de circuitos, onde analisaremos os ganhos calculados versus os ganhos reais, pontos de saturação, identificação das limitações dos circuitos, corrente, fonte de alimentação, ganho, etc.
O primeiro experimento consiste na montagem de um circuito amplificador inversor e o segundo experimento é de um circuito amplificador não inversor.
Introdução:
O amplificador operacional (Amp Op) tem esse nome porque inicialmente foi projetado para realizar operações matemáticas com o sinal (ou sinais) de entrada (computação analógica). Desde sua criação passou por inúmeras melhorias, ganhando assim posição de destaque, e executando as mais variadas funções com um único circuito integrado e poucos componentes externos.
A base do experimento é a execução analise de circutos, com base em amplificadores operacionais (Amp Op), sendo nestes, utilizado o amplificador operacional LM358. 
Figura 01 – esquema construtivo LM358 – fonte internet.
Utilizando os projetos de circuitos integrados antigos, que foram retrabalhados e melhorados, estes amplificadores operacionais duplos apresentam:
 1) baixo consumo de energia,
 2) uma faixa de tensão de entrada de modo comum estendendo-se terra / VEE, 
3) operação de fornecimento único ou de alimentação dividida e 
Estes amplificadores têm várias vantagens distintas sobre o padrão tipicos de amplificadores operacionais em aplicações de fornecimento único. Eles podem operar em tensões de alimentação que variam de 3,0 V até 32 V.
O intervalo de entrada do modo comum inclui o fornecimento negativo,
eliminando a necessidade de componentes externos de polarização na maioria das aplicações. 
A faixa de tensão de saída também inclui o ponto negativo da tensão de alimentação.
Possui também características importantes para as aplicações:
• Saídas protegidas por curto-circuito;
• Estágio de entrada diferencial real;
• Operação de Fornecimento Único: 3,0 V a 32 V
• Correntes de polarização baixas;
• Compensado internamente;
• Operação de alimentação Simples e Dividido.
Especificações do Amp Op LM358:
Figura 02: Especificações do LM358 – fonte: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/3067/MOTOROLA/LM358.html
Características elétricas:
Figura 03: Características elétricas LM358– fonte: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/3067/MOTOROLA/LM358.html
Experimento 01: Circuito Amplificador Inversor:
Experimento de montagem e testes de circuito amplificador inversor, constituido com o Amp Op LM358, com base no esquema abaixo:
Figura 04: circuito Amplificador Inversor.
	A fórmula para determinar o ganho do circuito é determinada por:
Este experimento deve ter como base de cáculo o último número do RU, sendo este o número 3 (RU 1306463), desta maneira, o ganho será de -3. Estou assumindo o valor de R1 de 1,5Kohms, e para o cálculo do resistor R2, segue:
AV=R2/R1
-3=R2/1500
R2=3X1500
R2=4500 ohms (4,5Kohms – sendo o valor comercial mais próximo 4,7Kohms).
Experimento prático:
Executar a montagem do circuito, utilizando os valores calculados, aplicar as tensões conforme abaixo:
-Tensão de entrada inicial do experimento de 500mV com frequência de 1KHz;
-Tensão de entrada final de 10V com a mesma frequência;
Tabela comparativa com o valor de ganho calculado e ganho medido no circuito:
	AV calculado –(R1/R2)
	AV medido V0/V1
	-3,13
	-3,12
Tabela 01: representação do ganho medido x calculado
Abaixo, print da tela do osciloscópio. É possível, neste desenho, verificar que 
a amplitude do sinal de entrada (canal 1) está e m 1V (+- 500mV), e no canal 2 o valor medido está em 3,12V. Sendo assim, há a confirmação da funcionalidade do circuito amplificador inversor, com ganho calculado de -3,13, valor negativo, pois se trata de circuito que defasa o sinal em 180 graus, ou seja, invertido, em comparação ao sinal de entrada.
Figura 05: Detalhe das medições dos sinais do Amp Op com osciloscópio.
Neste circuito, a resposta da saída é lienar, o sinal é amplificado e devido a sua alta impedância na entrada e baixa impedância de saída, produz um ganho estável, dessa maneira, práticamente não há distorções no sinal de saída, sendo praticamente em fase com o sinal de entrada.
Abaixo há o detalhe sobre a segunda parte do experimento, onde foi elevada a tensão da fonte para 10 volts, e há o detalhe do ponto de saturação do circuito, onde o sinal de saída não consegue ultrapassar o valor da tensão de alimentação da fonte. Como a impedância da entrada do circuito é muito elevada, praticamente não há perdas e é possivel ter quase o mesmo valor da tensão nominal da fonte no sinal amplificado. Neste caso, a tensão da fonte é de +/- 9Vcc e a saturação ocorre quando o sinal de entrada ultrapassar cerca de 3,3V, tendo como base no ganho de 3,3V e 9 V da fonte.
Figura 06: representação dos sinais de entrada e saída do Amp Op em momento de saturação.
Quando o sinal da entrada foi elevado para 10V, o sinal de saída satura, e acima da tensão de entrada da fonte, o sinal é cortado e entra no ponto de limite. O limite é definido pela tensão da fonte de alimentação. Isso vem como comprovação de que a saída que um Amp Op pode fornecer em ganho, somente será limitado ao valor da fonte de alimentação, e é claro, a fonte limitada ao valor máximo de tensão suportada pelo Amp Op utilizado.
Saturação positiva ou negativa se define como a limitação que o Amp Op tem na amplificação de sinais limitando o valor amplificado ao valor de tensão da fonte de alimentação.
Figura 07: exemplo de ponto de saturação no sinal de saída com base na alimentação do circuito.
Para exemplificar novamente, vamos efetuar novo teste, alterando a frequência e o sinal de entrada, utilizando uma onda triangular e com frequência de 300Hz.
Figura 08: Detalhe da onda triangular, 300Hz e com saturação do sinal de saída.
É visivel que o sinal apresenta a mesma linearidade que a forma de onda senoidal, gerando apenas amplificação do sinal, não há deformação ou mudança da sua frequência. Ele amplifica conforme o ganho calculado, faz a inversão em 180 graus e satura da mesma forma, quando tensão de saída ultrapassa o valor da tensão da fonte.
Experimento 02: Circuito amplificador Não Inversor
O maior diferencial deste circuito é que o mesmo tem como base a realimentação positiva e o seu ganho é determinado pela relação existente entre os resistores R1 e R2.
Abaixo imagem da tela do osciloscópio, apresentando os sinal de entrada e saída do circuito. Tensão de entrada em 1,05V e saída em 4,31V.
Figura 09: Sinais de entrada e saída do circuito amplificador não inversor.
Tabela 02: representação dos ganhos do circuito não inversor.
Este experimento foi executado para comprovação da igualdade do funcionamento dos dois circuitos, onde simularemos condições do tipo alteração da forma de onda, alteração da frequência e provocar a saturação. Os gráficos do osciloscópio a seguir expõe o mesmo principio de funcionamento, apenas com a diferença de que o ganho neste caso é positivo, soma-se +1 e o sinal fica em fase entre entrada e saída.
No gráfico do osciloscópio abaixo, é possivel verificar o ponto de saturação do amplificador, que apesar da saída esta em fase com a entrada, o pico da onda écortado exatamente quando ultrapassa o valor da fonte de alimentação, tanto no positivo quanto no negativo.
Figura 10: Saturação do sinal de saída em circuito não inversor.
Figura 11: sinal de onda quadrada e frequência de 350 Hz em circuito não inversor.
Conclusão:
	
Com base nos circuitos desenvolvidos e dos experimentos que foram executados foi possível identificar o funcionamento dos circuitos amplificadores, seja inversores ou faseados (não inversores). Durante os testes, as principais bases de alterações foram as características externas do circuito (tensão de alimentação, frequencia da fonte, resitores de ganho, etc), sendo comprovado o funcionamento dos amplificadores operacionais.
Identificado que ambos os circuitos possuem características dos sinais de saída praticamente iguais, sendo somente faseados (não inversores) ou defasados (inversores). A amplificação de ambos os circuitos possui como limitação somente o valor da tensão de alimentação da fonte, onde a tensão de saída possui como valor máximo o valor da tensão da fonte.
A linearidade da resposta, a baixa perda de sinal, o atraso de resposta imperceptível faz com que os amplificadores operacionais sejam grandemente utilizados para medições de grandezas de valores minimos, onde há estabilidade comprovada nos valores amplificados para garantir controles eficientes de sistemas industriais, hospitalares, etc.