Aplicações Lineares do Amplificador Operacional

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Aplicações Lineares do Amplificador Operacional 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UBERLÂNDIA 
 2019 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................03 
2. METODOLOGIA ..............................................................................................................04 
3. ANÁLISE DE DADOS ......................................................................................................10 
4. CONCLUSÃO ....................................................................................................................12 
5. ANEXOS .............................................................................................................................13 
 
REFERÊNCIAS .....................................................................................................................15 
 
 
 
 
 
3 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
Os amplificadores operacionais funcionam como um amplificador de acoplamento direto 
de alto ganho e usam realimentação para controle de suas características. Atualmente, são 
tratados de forma a serem encarados com um bloco fundamental na construção de circuitos 
analógicos, sendo que construção interna se dá de forma transistorizadas em conexão série [1]. 
As propriedades de um circuito amplificador operacional ideal são: ganho de tensão diferencial 
infinito, ganho de tensão de modo comum igual a zero, tensão de saída nula para tensão de 
entrada igual a zero, impedância de saída igual a zero, faixa de passagem infinita, deslocamento 
de fase igual a zero e deriva nula da tensão de saída para variações de temperatura [2]. 
Na prática, as limitações dos amplificadores operacionais são muitas, ocorrendo, entretanto, um 
contínuo aperfeiçoamento das características dos mesmos pelos seus fabricantes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
2. METODOLOGIA 
 
 Equipamentos utilizados e o seu funcionamento: 
 
 Placa Protoboard 
São placas para a montagem de protótipos, em que não há a necessidade de se fazer solda 
entre os componentes e a placa, uma vez que ela é formada por uma matriz de orifícios que 
atuam como pontos de contato dos componentes. Abaixo da estrutura plástica ela possui uma 
estrutura do tipo grade metálica condutora que interconecta os orifícios de uma mesma linha e 
de algumas colunas denominadas barramento. 
Nela, os orifícios de cada linha estão curtos circuitados, porem cada linha é eletricamente 
independente uma da outra, ou seja, não há conexão elétrica entre os orifícios de uma linha com 
outra. Já os barramentos das matrizes estão curtos-circuitados verticalmente. Como podemos 
observar na Figura 1 um exemplo de placa protoboard. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 – Modelo de placa Protoboard utilizada em laboratório. 
Como pode-se observar, ela possui alguns bornes coloridos que são utilizados para facilitar a 
ligação dos circuitos montados com instrumentos externos. Qualquer ligação a ser feita deverá 
ser efetuada através de fios. Já no experimento realizado, o transformador foi ligado diretamente 
na placa e os bornes coloridos não foram utilizados [3]. 
 
 Gerador de função 
O gerador de funções, também conhecido como gerador de sinais, é um aparelho eletrônico 
que gera voltagens que variam em função do tempo e é usado para fazer a calibração e reparação 
de circuitos eletrônicos. Os sinais ou funções geradas pelo aparelho são fornecidas através de 
tensões elétricas com diversas formas de sinais elétricos, com amplitudes e frequências 
 
 
5 
 
variáveis. As ondas geradas são 7 periódicas, sendo de período T dado em segundos, frequência 
F dada em Hz e amplitude V0, são três as principais formas de onda geradas: quadrada, senoidal 
e triangular. No painel do gerador de funções há uma série de dispositivos de controle que 
servem para ajustar o equipamento, sendo que o uso deles varia de acordo com o trabalho que 
se deseja realizar. Vale ressaltar que o uso do gerador de funções está intimamente ligado ao 
uso do osciloscópio [4]. 
 
 Osciloscópio 
De certa forma, o osciloscópio é basicamente um dispositivo para analisar gráficos, sendo 
que ele é um equipamento que permite obter os valores instantâneos de sinais elétricos rápidos 
e caracterizá-los quantitativamente. A aplicação mais comum desse instrumento é feita para 
observar sinais alternados, tais como sinais senoidais e cossenoidais. Assim, o osciloscópio irá 
fornecer uma representação visual de diversas formas de ondas aplicadas aos seus terminais de 
entrada (canais). O fornecimento da tela de visualização é dado através de um tubo de raios 
catódicos, semelhantes a um tubo de televisão. Há dois tipos de osciloscópio: analógico e o 
digital. Para descrever melhor o osciloscópio, deve-se entender os sinais presentes na tela desse 
equipamento. Quando ligado, observa-se que existem certas marcas na tela que a dividem na 
vertical e na horizontal, e isso forma o que se conhece como reticulado ou retícula. A separação 
entre linhas consecutivas do reticulado constitui o que se define como divisão e, basicamente, 
o reticulado possui 10 divisões horizontais por 8 verticais de tamanho igual. Vale ressaltar que 
cada divisão ou quadrado possui algumas marcas que a dividem em 5 partes iguais [5]. 
 
 Procedimento experimental 
Esse experimento teve como objetivo principal entender o funcionamento de circuitos com 
amplificadores operacionais, além de conhecer suas principais aplicações. 
Para iniciar o experimento, primeiramente, as tensões das tomadas da bancada foram 
averiguadas, utilizando-se o multímetro, esse procedimento tem o intuito de evitar uma possível 
danificação dos componentes. Em seguida, com o auxílio do datasheet do amplificador 
operacional 741, o circuito foi montado na placa protoboard. 
O amplificador operacional utilizado possuía 8 pinos, sendo que destes apenas 5 foram 
utilizados. O pino com numeração 2 era o da porta inversora, o com numeração 3 é o da porta 
não inversora, 6 output, 7 é V+ e 4, V-, em que a porta 7 e 4 foram alimentação com tensão 
contínua de 15 e -15 volts, respectivamente. Já as outras portas foram ligadas ao gerador de 
função e ao osciloscópio. 
 
 
6 
 
Para o primeiro experimento, foi montado o amplificador inversor, em que se utilizou uma 
carga de 10 kΩ conectada ao gerador de funções e a porta inversora, na qual também foi feita a 
realimentação conectando a porta de saída a uma carga de 100kΩ e a porta inversora. Já a porta 
não inversora foi conectada ao terra. Como mostrado na Figura 2. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2 – Primeiro circuito. 
Para verificar a tensão de pico a pico, tanto da entrada como da saída e sua respectiva onda, o 
osciloscópio foi conectado utilizando-se 2 canais, um conectado ao gerador de funções e o outro 
a porta de saída. O gráfico obtido é apresentado na Figura 3. 
 
 
 
 
 
 
Figura 3 – Gráfico obtido pelo osciloscópio para o primeiro circuito. 
O gráfico obtido por simulação é mostrado na Figura 4. 
 
 
 
 
 
Figura 4 - Gráfico obtido por simulação para o primeiro circuito. 
 
 
7 
 
Para o segundo experimento, foi realizado o circuito amplificador não inversor, que em 
comparação com o anterior muda apenas o fato de o gerador estar conectado à porta não 
inversora e a porta inversora estar conectada ao terra. Como apresentado na Figura 5. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5 – Circuito amplificador não inversor.E como esse circuito é não inversor, a onda de saída não aparece defasada de 180º como a do 
circuito anterior, apenas acontece um ganho de tensão, como mostrado na Figura 6. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6 - Gráfico obtido pelo osciloscópio para o segundo circuito. 
O gráfico obtido por simulação é mostrado na Figura 7. 
 
 
 
 
 
Figura 7 - Gráfico obtido por simulação para o segundo circuito. 
 
 
8 
 
Já para o terceiro caso, nos foi proposto o circuito somador inversor, que como o próprio nome 
já diz a saída é invertida e igual à soma dos sinais de entrada multiplicados pelo ganho, em que 
no nosso caso a função de entrada foi a mesma para todos os resistores conectados a porta 
inversora. O circuito final é apresentado na Figura 8. 
 
 
 
 
 
 
Figura 8 – Circuito somador inversor. 
Como é de se esperar, a função de saída apresentada defasagem de 180º, e apresentava grande 
ganho de tensão, além disso, o gerador de funções foi configurado para uma onda quadrada. O 
resultado obtido no osciloscópio é mostrado na Figura 9. 
 
 
 
 
 
 
Figura 9 - Gráfico obtido pelo osciloscópio para o terceiro circuito. 
O gráfico obtido por simulação é mostrado na Figura 10. 
 
 
 
 
Figura 10 - Gráfico obtido por simulação para o terceiro circuito. 
Para o quarto e último caso, foi montado o circuito subtrator, em que o amplificador operacional 
é utilizado nesta configuração para subtrair dois sinais e fornecer o resultado em sua saída 
multiplicado pelo ganho. Para isso, tanto a porta inversora quanto a não inversora foram 
 
 
9 
 
conectadas ao gerador de funções, com a não inversora também conectada ao terra. O circuito 
é apresentado na Figura 11. 
 
 
 
 
 
 
Figura 11 – Circuito subtrator. 
Como as duas portas estavam conectadas a mesma saída do gerador de funções, a tensão de 
saída foi nula, como mostra a Figura 12. 
 
 
 
 
 
Figura 12 - Gráfico obtido pelo osciloscópio para o quarto circuito. 
 
O gráfico obtido por simulação é mostrado na Figura 13. 
 
 
 
 
Figura 13 - Gráfico obtido por simulação para o quarto circuito. 
 
Mas caso fosse utilizada outra saída do gerador de funções a tensão de saída não seria nula, pois 
isso se deve ao fato da função transferência está relacionada com a diferença dessas tensões de 
entrada. 
 
 
 
10 
 
3. ANÁLISE DE DADOS 
Para o circuito do amplificador inversor, a saída é obtida pela multiplicação da entrada por um 
ganho constante, fixado pelo resistor de entrada R1 e o resistor de realimentação Rf. Essa saída 
é invertida em relação a entrada e sua função transferência é dada por [6]: 
 
𝑉𝑜 = −
𝑅𝑓
𝑅1
𝑉𝑖 
Em que: 
𝑉𝑜 – Tensão de saída. 
𝑉𝑖 – Tensão de entrada. 
𝑅𝑓 – Resistor de realimentação. 
𝑅1 – Resistor de entrada. 
Os dados obtidos tanto experimentalmente, quanto por simulação e por teoria são apresentados 
na Tabela 1. 
 
Tabela 1 – Dados obtidos para o primeiro experimento. 
 Simulação Experimental Teórico 
Tensão de entrada [V] 1.95 1,80 2,00 
Tensão de saída [V] - 20,00 - 18,20 - 20,00 
 
Já para o segundo caso, a função transferência é dada por [2]: 
𝑉𝑜 = (
𝑅𝑓
𝑅1
+ 1) 𝑉𝑖 
Com essa, equação é possível obter os valores teóricos e, com isso, compará-los com os 
experimentais e os fornecidos por simulação. Como apresentado na Tabela 2. 
Tabela 2 – Dados obtidos para o segundo experimento. 
 Simulação Experimental Teórico 
Tensão de entrada [V] 1.95 1,80 2,00 
Tensão de saída [V] 21.25 20,00 22,00 
 
O amplificador somador inversor é um circuito com várias entradas, cada uma com um ganho 
de tensão unitário. Devido ao fato de todos os resistores da realimentação ser apenas um e 
constante, a função transferência é dada por [2]: 
 
 
11 
 
 
𝑉𝑜 = −𝑅𝑓 (
𝑉1
𝑅1
+
𝑉2
𝑅2
) 
 
Sendo que o sinal negativo é devido a realimentação ser na porta inversora, e o resistor da 
realimentação multiplica a razão da tensão de entrada pelo seu respectivo resistor somado com 
a razão devido ao número de resistores que o circuito tiver na entrada. Os valores coletados são 
mostrados na Tabela 3. 
 
Tabela 3– Dados obtidos para o terceiro experimento. 
 Simulação Experimental Teórico 
Tensão de entrada [V] 4,00 3.32 4,00 
Tensão de saída [V] - 8,00 - 6,56 - 8,00 
 
Já o circuito diferencial ou subtrator, permite que se obtenha uma tensão igual a diferença entre 
os sinais aplicados multiplicada por um ganho, logo a função transferência é dada por: 
𝑉𝑜 = 
𝑅2
𝑅1
(𝑉1 − 𝑉2) 
Em que: 
𝑅2 – Resistor para uma das entradas. 
𝑅1 - Resitor para outra entrada. 
𝑉1 – Tensão do primeiro sinal. 
𝑉2 – Tensão do segundo sinal. 
 
Os valores coletados são mostrados na Tabela 4. 
Tabela 4 – Dados obtidos para o quarto experimento. 
 Simulação Experimental Teórico 
Tensão de entrada [V] 3,25 5,60 6,00 
Tensão de saída [V] 0,00 0,032 0,00 
 
Como a tensão nas duas entradas eram as mesmas e a tensão de saída depende da diferença 
entre elas, essa mesma tensão será, portanto, igual a zero no caso ideal, mas como isso não se 
aplica, quando analisa-se a tabela anterior percebe-se que no experimento isso não aconteceu, 
apesar de se ter na saída um valor muito pequeno de tensão. 
 
 
12 
 
4. CONCLUSÃO 
Através desse experimento foi possível entender o funcionamento de circuitos com 
amplificadores operacionais, sendo isso possível por passar a conhecer as principais aplicações 
deles. Observando, através do osciloscópio, o comportamento das ondas formadas pelos 
circuitos. Sendo que cada circuito proporcionou uma análise diferente e uma comparação com 
o que é de conhecimento teórico. 
Sendo que através de cada circuito pôde-se verificar o amplificador funcionamento com 
inversor e não inversor, percebendo que nesse caso obteve-se ganhos conforme esperado em 
ambos os casos. E quando funcionando como somador inversor e subtrator, os resultados 
encontrados foram condizentes com os apresentados em teoria. 
Contudo, ao analisar os dados coletados para o quarto experimento, onde se esperava 
uma tensão igual a zero, nota-se que não houve êxito, apesar do valor encontrada ser muito 
pequeno. Tal fato podendo ter sido causado devido a erros que podem ter sido gerados pelos 
equipamentos ou na forma de utilização dos mesmos. 
Portanto, é imprescindível que todos os dados coletados, tanto experimentalmente 
quando os observados na simulação, possuem um elevado papel de importância no 
aprendizado da disciplina e são importantes e atuantes para uma base sólida futura e 
acadêmica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
13 
 
5. ANEXOS 
 
 
Anexo A – Simulação obtida através do programa Proteus para o primeiro experimento. 
 
 
 
14 
 
 
Anexo B – Datasheet do amplificador operacional 741 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
15 
 
REFERÊNCIAS 
[1] SEDRA, A S.; SMITH, K.C. Microeletrônica. 4.ed. São Paulo: Makron Books, 2000 
[2] MALVINO, A.P. Eletrônica, v. 2. São Paulo: Makron Books do Brasil, 1997. 
[3]https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/2404961/mod_folder/content/0/Anexo3Protoboar
ds.pdf?forcedownload=1, acessado em 21 de junho de 2019. 
[4]http://www.eletronicadidatica.com.br/equipamentos/gerador_funcoes/geradorfuncoes.htm, 
acessado em 21 de junho de 2019. 
[5] https://www2.pcs.usp.br/~labdig/material/ABC_Osc.pdf, acessado em 21 de junho de 
2019. 
[6] http://www2.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/3---
amplificadores-operacionais-v2.0.pdf, acessado em 22 de junhode 2019.