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Eletrônica (amplificadores operacionais) Prof. Manoel Eusebio de Lima 6/3/15 Soluções GrecO 2 Amplificador diferencial RC>>RE R’ é bem maior que RE I’= I1+I2 = constante I’≈ |VEE|/R’ input1 input2 I’é aproximadamente uma fonte de corrente constante Valores típicos: Características 0,7V 6/3/15 Soluções GrecO 3 Amplificador diferencial – Análise DC Comportamento DC do circuito: 1. Quando V1 = V2 = 0V e assumindo que |VEE| >> 0.7 V and R' >> RE Teríamos: I1=I2= I0 ≅I’/2= (|VEE|/R’)/2 VA = -0.7-I0RE VOUT≈ VCC – RCI2= VCC–RC.(|VEE|/R’)/2 = VCC–RC.(IE/2) Considere que I2 = corrente de coletor ≅ corrente do emissor em T2 Se considerarmos VEE = VCC teríamos Vout ≈ 0 V input1 input2 ≅I2 T1 T2 0,7V 6/3/15 Soluções GrecO 4 Amplificador diferencial – Análise DC 2. Quando V1 > V2 ( 0V) a tensão na malha entre V1 e V2 é dada por: V1 − 0.7 V− I1RE + I2RE + 0.7 V = 0 Resultanto em I1 = I2 + V1/RE Como I’= I1 + I2 = constante e I1 é agora maior que I2 , então I2 deve diminuir. sobe Diminui p/manter I’constante cresce T1 T2 ≅I2 0,7V 0,7V = VCC-I2RC sobe Se I2 diminui, diminui a queda em RC e a tensão de saída aumenta diminui V1 é a entrada não-invertida. 6/3/15 Soluções GrecO 5 Amplificador diferencial – Análise DC 3. Quando V1 (0V) < V2 a tensão na malha entre V1 e V2 é dada por: V2 − 0.7 V− I2RE + I1RE + 0.7 V = 0 Resultanto em I2 = I1 + V2/RE Como I’= I1 + I2 = constante e I2 é agora maior que I1 , então I1 deve diminuir. sobe aumenta Diminui p/manter I’constante ≅I2 0,7V 0,7V = VCC-I2RC cai Se I2 aumenta, aumenta a queda em RC e a tensão de saída diminui aumenta V2 é a entrada invertida. 6/3/15 Soluções GrecO 6 • VEE e R’ formam uma fonte aproximadamente constante de corrente I’ =|VEE|/R’, com I1 + I2 = I’. • Quando ambas as entradas estiverem em 0 V, as correntes são iguais nos dois lados do circuito. • Se V1 subir ligeiramente enquanto V2 = 0, a tensão na malha V1 para V2 (ground), é dada por: V1 − 0.7 V− I1RE + I2RE + 0.7 V = 0. Isto implica que I1 = I2 + V1/RE – I1 é agora maior que I2, assim I2 deve ter reduzida, desde que I’ é aproximadamente constante. – A redução de I2 reduz a queda de tensão através de RC, aumentando assim Vout. V1 é a entrada não-invertida. • Na mesma maneira, levantar V2 ligeiramente com V1 em Zero (terra) aumentamos I2. Isso provoca o aumento de tensão em RC e reduz Vout. V2 é a entrada invertida. Amplificador diferencial – resumo da Análise DC 6/3/15 Soluções GrecO 7 Amplificador diferencial – Análise AC 6/3/15 Soluções GrecO 8 Amplificador diferencial – Análise AC • Ganho no modo diferencial Definamos vd ≡ v1 − v2. (tensão diferencial), O ganho no modo diferencial é dado por: Avd ≡ vout/vd • Aplicando-se as tensões de entrada v1 = vd/2 and v2 = −vd/2 e usando KVL, teremos que: v1 = i1(re + RE) + (i1 + i2)R’ = vd/2, v2 = i2(re + RE) + (i1 + i2)R’ = −vd/2. • Resolvendo as equações(somando as equações) encontramos: Se i2 = − i1, então (i1 + i2)R’ = 0. Portanto: v2 = i2 (re + RE) +0 => i2 = v2 /(re + RE) = − vd /2(re + RE) 6/3/15 Soluções GrecO 9 Amplificador diferencial – Análise AC • Logo vout = −RCi2, ou seja, vout = −RC(−vd)/2(re + RE). • Desda forma, finalmente obtemos a equação do ganho no modo diferencial: Avd ≡ vout/vd = RC/2(re + RE) Como Rc >>> grande, bem maior que (re + RE), Avd tende para valores bem grandes também 6/3/15 Soluções GrecO 10 Amplificador diferencial – Análise AC • Ganho no modo comum • Definamos vc ≡ 1/2 (v1 + v2) • O ganho modo comum é dado por: Avc ≡ vout/vc • Aplicando-se v1 = v2 = vc e usando KVL para encontrar i2 em termos de vc = v2: vc = i2(re + RE) + I’R’; desde que I’= i1+i2=2i2 (tensões de entrada iguais, temos: vc = i2(re + RE) + 2i2R’, assim, i2 = vc/(re + RE + 2R’). • Desde que vout = −i2RC, Avc ≡ vout/vc = −RC/(re + RE + 2R’) Como R’ >>> grande, 0 valor de (re + RE + 2R’) é bem maior que o valor de RC. Assim, Avc tende para 0 (zero), ou seja, rejeição modo comum elevado Avc ≡ 0 6/3/15 Soluções GrecO 11 Amplificador diferencial • Características: – O circuito fornece o ganho da tensão para sinais diferenciais nas entradas, Vd=V1-V2 – O circuito atenua sinais que interferem em modo-comum Vc=(V1+V2)/2; – O circuito fornece as entradas invertida e não-invertida necessárias para os amplificadores operacionais. 6/3/15 Soluções GrecO 12 Amplificador diferencial – entradas invertidas Obs: vd+=-vd- Multsim8- U.C - Davis Physics 6/3/15 Soluções GrecO 13 Amplificador diferencial – entradas iguais Obs: vd+=vd- Multsim8- U.C - Davis Physics 6/3/15 Soluções GrecO 14 Amplificador Operacional • Esse tipo de circuito integrado é assim chamado por poder efetuar operações aritméticas com sinais, tais como: – Soma – Subtração – Multiplicação – Integração – Diferenciação – .......... Amp diferencial Estágios de ganhos de tensão Seguidor de emissor Push-pull Classe B vi vo Ganho A Resistência de entrada Resistência de saída => 6/3/15 Soluções GrecO 15 Amplificador operacional • Características importantes: Parâmetro Amp-op ideal Amp-op típico Ganho de tensão (diferencial) ∞ 105 -109 Ganho de tensão modo comum 0 10-5 Freqüência de operação ∞ 1 -20MHz Impedância de entrada ∞ 106Ω Impedância de saída 0 100-1000Ω • Ganho do amplificador: Ganho de tensão Vo = a ( V1 - V2 ) 6/3/15 Soluções GrecO 16 Amplificador operacional • Circuito com entrada única Um sinal aplicado à entrada Positiva (não invertida) produz um sinal de saída com a mesma fase Um sinal aplicado à entrada Negativa (invertida) produz um sinal de saída com a fase invertida 6/3/15 Soluções GrecO 17 Amplificador opercional • Operação diferencial e modo comum vo vi1 vi2 • Quando as entradas são diferentes o sinal de entrada é dado pela diferença entre estas duas entradas (entrada diferencial vd). vd = vi1 – vi2 vi • Quando as entradas são iguais, o sinal de entrada comum as duas entradas é dado pela média entre estas duas entradas (entrada comum vc). vc = ½(vi1 + vi2) 6/3/15 Soluções GrecO 18 Amplificador operacional • Tensão de saída vo vi1 vi2 Equação geral da tensão de saída de um amplificador operacional: Vo= AdVd+AcVc onde: - Vd= tensão de diferença - Vc= tensão comum - Ad = ganho diferencial do amplificador - Ad = ganho de modo – comum do amplificador 6/3/15 Soluções GrecO 19 Amplificador operacional • Exemplo: a) Entradas de polaridades opostas são aplicadas ao amplificador: vi1 = vi2 = vent vo vi2 vi1 Tensão de diferença vd = vi1 – vi2 = vent – (- vent) = 2 vent V Tensão comum vc = ½ (vi1 + vi2 ) =1/2 (vent – vent) = 0V Tensão de saída(Vo)= AdVd+AcVc = 2 Advent + 0 = 2 AdventV Tensão de saída = AdVd+AcVc 6/3/15 Soluções GrecO 20 Amplificador operacional – entrada com polaridades opostas 6/3/15 Soluções GrecO 21 Amplificador operacional • Exemplo: a) Entradas de polaridades iguais são aplicadas ao amplificador: vi1 = vi2 = vent vo vi2 vi1 Tensão dediferença vd = vi1 – vi2 = vent – ( vent) = 0 V Tensão comum vc = ½ (vi1 + vi2 ) =1/2 (vent + vent) = vent V Tensão de saída(Vo)= AdVd+AcVc = 0 + Ac vent = Ac vent V Tensão de saída = AdVd+AcVc Operação modo comum 6/3/15 Soluções GrecO 22 Amplificador operacional • Operação modo comum – Esta operação ocorre quando as duas entradas recebem o mesmo sinal. – Uma vez que o amplificador operacional amplifica a diferença de tensão na entrada, os sinais se concelam e a saída neste caso é igual a 0V. • Rejeição de modo comum – O amplificador operacional amplifica os sinais de entrada com fases diferentes e os atenua quando os mesmos possuem a mesma fase. – A operação “amplifica” o sinal diferença e “rejeita” o sinal comum às duas entradas. – A este tipo de rejeição em circuitos como este dá-se o nome de “Rejeição Modo Comum”(CMRR- Comom Mode Rejection Rate) vo 0V 6/3/15 Soluções GrecO 23 Amplificador operacional – entradas com a mesma polaridade 6/3/15 Soluções GrecO 24 Amplificador operacional • Razão de Rejeição de Modo-Comum – O amplificador operacional não deveria ter ganho para um sinal comum de entrada para ambas as entradas. – Na prática no entanto, os amplificadores possuem algum ganho para sinais modo - comum. – A definição clássica para o CMRR (Razão de Rejeição de Modo-Comum) é dada por: CMRR = Ad/ Ac CMRR(log) =20log10(Ad/Ac) => • A situação ideal ocorre quando Ad é muito grande e Ac muito pequeno. Ou seja, o ciruito deve ser tal que, os sinais opostos deverão ser amplificados e os sinais iguais atenuados. • Idealmente CMRR deveria ser infinito. Tensão de saída(Vo)= AdVd+AcVc = AdVd(1+ AcVc/AdVd)=> Tensão de saída(Vo)= AdVd(1+(1/CMRR)(Vc/Vd)) 6/3/15 Soluções GrecO 25 Amplificador operacional • Modelo Entrada inversora Entrada não-inversora saída vd vo Ri Ro • Modelo real Ad(v+-v-) Impedância muito grande de entrada Impedância muito pequena de saída vd vo Ri = ∞ Ro • Modelo ideal Ad(v+-v-) 6/3/15 Soluções GrecO 26 Amplificador operacional – Amplificador inversor R1 Vo Vi R2 => vd vo Ri Ad(v+-v-) Vi R2 R1 Ro V2 V1 R2 vd vo Ri=∞ -Advd Vi R1 Ro≅0 V2 V1 => vd vo -Advd Vi R1 R2 6/3/15 Soluções GrecO 27 Amplificador operacional – amplificador inversor • Encontrar Vo em função de Vi vd vo -Advd Vi R1 R2 i1 i2 i1=i2=>(Vd – Vi)/R1 = (Vo-Vd)/ R2 => R2(Vd – Vi)= R1 (Vo-Vd) => R2Vd – R2Vi= R1Vo-R1Vd Como A é muito grande, -R2Vi= R1Vo Vo= (-R2/R1)Vi R2Vo/A – R2Vi= R1Vo-R1Vo/A com A = Vo/ Vd; 6/3/15 Soluções GrecO 28 Amplificador operacional – amplificador inversor Supondo que a corrente drenada na entrada é praticamente igual a zero (i3) A corrente em R1 é igual a corrente em R2, ou seja, (i1 = i2). Cálculo do ganho de tensão V0 em função da tensão de entrada Vi : I1= i2 , ou seja: (Vi – V2) / R1 = (V2 – Vo) / R2 ou melhor R2 (Vi – V2) = R1 (V2 - Vo): Sabemos também que Vo = -A (V2 – V1), como V1= 0, teremos: Vi Vo = A ( V1 - V2 ) Ganho de tensão R2 (Vi -(-V0 /A)) = R1 ((-V0 /A)- Vo) => R2Vi+R2V0/A= -R1V0 /A- R1Vo=> Como A é muito grande R2 Vi = -R1Vo => Vo= (-R2/R1)Vi Vo R2 i2 i1 i3 I1= i2+ i3 R1 V1 V2 6/3/15 Soluções GrecO 29 Amplificador operacional – amplificador inversor 6/3/15 Soluções GrecO 30 Amplificador operacional • Terra virtual – A tensão de saída de um amplificador operacional é limitada a sua tensão de alimentação (Vdd e Vee). – Os ganhos em tensão são geralmente muito altos nestes dispositivos. – Por exemplo: – Vo = -10, com um ganho A=20.000, a tensão de entrada seria dada por: – Vd = -Vo/A = 10/20.000 = 0,5mv • Ou seja, a tensão Vd, aplicada aos terminais de um operacional são em geral tão pequenas, em um circuito convencional, quando comparada a outras tensões envolvidas no circuito, que podemos considerá-la aproximadamente igual a 0V(Vd≈0V) na maioria das vezes. • Este conceito de terra virtual (Vd≈0V), não implica, no entanto, que não haja corrente entre os dois pólos de entrada do amplificador (+/-), ou melhor, da entrada para o terra(GND). Mas, podemos considerá-la aproximadamente nula (id=0A). 6/3/15 Soluções GrecO 31 Amplificador diferencial R1 Vo Vi R2 Vd • Terra virtual iR1 = iR2 => vi/R1 = - vo/R2 ou vo/vi= - (R2 /R1) Vd=0V Id = 0A vo Vi R1 R2 iR1 iR2 6/3/15 Soluções GrecO 32 Amplificador operacional – Amplificador não inversor R2 V1 V2 A = V2/V1= i(R1 + R2)/ iR1 A = (R1 + R2)/ R1 => V2 = (R1 + R2)i = ((R1 + R2)V1/R1) i i Terra virtual Vd≈0V V1= iR1 6/3/15 Soluções GrecO 33 Amplificador operacional – Amplificador não inversor 6/3/15 Soluções GrecO 34 Amplificador Operacional – Seguidor de tensão V1 V2 Vd V2 = V1 +(Vd-) Por definição: V2 = -AVd- => Vd- = -V2/A V2 = (V1) Assim, V2 = V1 +(Vd-)= (V1)- V2/A, (A=ganho do ampificador). Considerando A muito grande, -V2/A se apromixa de zero, daí: v1 v2 Vi = 0 Terra virtual Também, utilizando o terra virtual poderíamos ter: V2 = Vd+V1, com Vd = 0, teremos V2 = V1 6/3/15 Soluções GrecO 35 Amplificador Operacional – Seguidor de tensão 6/3/15 Soluções GrecO 36 Amplificador Operacional • Circuito somador – Sabendo-se que V0= -R2/R1Vi , qual o valor de Vo em função das tensões de entrada? ia+ ib+ ic= I2=> va/Ra + vb/Rb + vc/Rc = -vo/R2 I2 ia ib ic vo= - R2 (ia+ ib+ ic) => vo= - R2(va/Ra + vb/Rb + vc/Rc ) Se Ra=Rb=Rc=R temos vo = -(R2/R)(va + vb + vc) – Considerando o conceito de terra virtual, a corrente entre S e o terra é zero. – Obervando as figuras acima com R1 substituído por Ra e Rb e Rc 6/3/15 Soluções GrecO 37 Amplificador Operacional – circuito somador Amplificador operacional – circuito subtrator • Este circuio tem a finalidade de amplificar as diferenças de tensões entre as entradas. Este circuito é extremamente poderoso e é largamente utilizado em eletrônica analógica. Por exemplo se conectarmos a saída de um transdutor em um amplificador de diferenças, só o sinal do transdutor é amplificado, já que o sinal de interferência é captado praticamente da mesma forma pelo dois fios que carregam o sinal de tensão comum aos dois fio (mesmo sinal). Ao passo que o sinal do transdutor é uma diferença de tensão entre esses dois fios. 6/3/15 /www2.eletronica.org/apostilas-e-ebooks/componentes/AOP.pdf 38 Amplificador operacional – circuito subtrator 6/3/15 Soluções GrecO 39 (v1-vx)/R1=(vx-v0)/R2=> v0=vx(1+R2/R1)-(R2/R1)v1 Onde: vx/R4=v2/(R3+R4)=> vx=R4.v2/(R3+R4) Logo: v0=[R4/(R3+R4)].[(R1+R2)/R1]v2-(R2/R1)v1 Se R4=R3 e R2=R1 temos que: V0=v2-v1 vx Vi=0 Exemplo: 6/3/15 Soluções GrecO 40 Logo: v0=[R4/(R3+R4)].[(R1+R2)/R1]v2-(R2/R1)v1 => vo=[2/(2+1)].[(2+1)/1].v2-(2/1).v1=> vo =2.v2-2v1 => vo= 2(v2-v1) 6/3/15 Soluções GrecO 41 Amplificador Operacional • Circuito integrador ic = -i = -Vi/R1 Vd=0V Id = 0A vo Vi R1 xc iR1 iR2 Com Xc=1/2πfC=1/jωC Considerando que a corrente em R1 e em xc são iguais teremos: vi/R1=-vo/xc onde o ganho dado por vo/vi é calculado como: vo/vi = - xc/R1 = - 1/(2πfR1C) (expressão no domínio da freqüência) No domínio do tempo: Vo=-1/R1C ∫ vi(t)dt 2π 0 Vi 6/3/15 Soluções GrecO 42 Vd=0V Id = 0A vo Vs Rs xc iR1 if Multiplicando ambos os lados por dt e integrando: Vs 6/3/15 Soluções GrecO 43 Circuito integradorR1C1∫ 6/3/15 Soluções GrecO 44 Amplificador Operacional • Circuito diferenciador ic = -iR Vd=0V Id = 0A vo Vi R1 xc iXc iR1 Com Xc=1/2πfC=1/jωC Considerando que a corrente em R1 e em xc são iguais teremos: vi/xc=-vo/R1 onde o ganho dado por vo/vi é calculado como: vo/vi = R1/- xc = - 2πfR1C (expressão no domínio da freqüência) No domínio do tempo: Vo=-vi 2πfR1C => Vo =- R1C. (dvi (t)/dt) Vi Vi Schmitt trigger • O circuito Scmitt trigger é um dispositivo que apresenta como característica de transferência (relação entre tensões de entrada e de saída), um ciclo de histerese. 6/3/15 Soluções GrecO 45 • Esta característica é, em geral, incorporada a circuitos que implementam funções lógics básicas, como inversores: Inversor Schmitt trigger EEL5310-SD-EEL/UFSC-Prof. Carlos Maziero Schmitt trigger • Aplicações – Acoplamento entre dispositivos rápidos e lentos – Limpar sinais digitais com rúido excessivo – Oscilador (circuito astável) 6/3/15 Soluções GrecO 46 EEL5310-SD-EEL/UFSC-Prof. Carlos Maziero 6/3/15 Soluções GrecO 47 Schmitt trigger com amplificador operacional • Comportamento: – Se a entrada de um comparador for ruidosa, a saída pode gerar um valor errado de tensão quando vd estiver próximo do ponto de comutação. – Pequenas variações na entrada da ordem de 1 mV podem fazer o comparador disparar para uma saída positiva ou negativa. in Vd in o Quando a saída V0 estiver saturada positivamente, a tensão de referência aplicada à entrada não inversora será dada por: vref = +BVsat V0= +Vcc vref = +BVsat Fração de realimentação vref/R1= vsat(vo)/(R1+R2) =>vref/vsat= R1/(R1+R2) = B Logo, vref= B.vsat Quando a saída V0 estiver saturada negativamente, a tensão de referência aplicada à entrada não inversora será dada por: vref = -BVsat in o V0 = -Vcc Fração de realimentação B= R1/(R1+R2) vref = -BVsat Vsat -Vsat vin vo -BVsat BVsat +BVsat -BVsat Símbolo i i 6/3/15 Soluções GrecO 49 1. A tensão de entrada é aplicada a entrada negativa. 2. O circuito utiliza realimentação positiva, o que faz com que a tensão de realimentação se some a tensão de entrada em vez de se opor a ela. 3. Assim se a tensão na entrada inversora for ligeiramente positiva em relação a entrada positiva, isto produzirá uma saída negativa. Esta tensão negativa provoca uma tensão negativa no divisor de tensão, em cima da entrada positiva, o que faz com que a saída fique ainda mais negativa. 4. Se por outro lado, a entrada fosse ligeiramente negativa, em vez de positiva, o comparador atingiria a saturação positiva. Esta tensão positiva provoca uma tensão positiva no divisor de tensão, em cima da entrada positiva, o que faz com que a saída fique ainda mais positiva. 5. A realimentação positiva tem um efeito incomum no circuito. Ela força a tensão de referência a ter a mesma polaridade de tensão de saída. Amplificador Operacional – Schmitt trigger 6/3/15 Soluções GrecO 50 Amplificador Operacional – Schmitt trigger V+ < V- V- V+ Aplicação: Gerador de onda quadrada com OP/Schmitt Trigger 6/3/15 Soluções GrecO 51 Amplificador Operacional em CA 6/3/15 Soluções GrecO 52 • Para se trabalhar com sinaIS AC com operacionais, utiliza-se capacitores de desacoplamento. • Os capacitaores são colocados na entrada e na sáida do circuito. • É conveniente projetar os valores dos capacitaores de tal forma que suas reatância capacitivas não atinjam valores acima de 10% dos valores das resistências em série. XC1 ≤ 0.1 R1 XC2 ≤ 0.1 RL Configuração inversora RL http://www2.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/3---amplificadores-operacionais-v2.0.pdf 6/3/15 Soluções GrecO 53 Amplificador Operacional em CA Configuração não-inversora Configuração buffer Proteção em circuitos operacionais 6/3/15 Soluções GrecO 54 • O estágio diferencial pode ser danificado se a tensão diferencial de entrada ultrapassar o limite do curcuito. • Por exemplo, para um 741 este limie é da ordem de +/- 30 V. • Um das maneiras de se fazer isto é colocando-se diodos em paralelo com a entrada (ex: 1N 4001) e resistores para proteger os diodos. • Esta proteção impede que as tensões na entrada do operacional não ultrapasem os 700 mV. • Em geral os operacionais possuem proteção contra curto- circuito na saída. Ajuste do offset 6/3/15 Soluções GrecO 55 • Características internas do projeto dos amplificadores operacionais originalmente criam um desbalanceamento interno que resulta numa tensão de offset na saída, mesmo quando a entradas são aterradas. Pode-se cancelar este erro ajustando a tensão diferencial interna através de um potenciometro acoplado a terminais especiais do amplificador. Proteção • Alimentação 6/3/15 Soluções GrecO 56 • Ruídos Capacitores da ordem de 0,1µF (altas frequências) Os diodos protejem o circuito caso o mesmo seja alimentado, por acidente, com tensões opostas 6/3/15 Soluções GrecO 57 Amplificadores operacionais (exemplo) – LM 741 Características Valor Ganho >100 Lagura de banda 0.5 a 5 MH Impedância de entrada > 108 Ω Impedância de saída < 100 Ω Alimentação +/- 22V Potência 500 mW 6/3/15 Soluções GrecO 58 Amplificador Operaciomal • Exemplo - Amplificador LM741 +Vcc -Vcc LM741 • Esquemático
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