Eletrônica II - Relatório Amplificador Operacional

Prévia do material em texto

UFF – Universidade Federal Fluminense. 
TET - Departamento de Engenharia de Telecomunicações. 
Laboratório de Eletrônica V. 
 
 
 
Amplificadores Operacionais. 
 
 
 
 
 
Dado o circuito de amplificador operacional acima, na configuração inversora, 
considere R1 = 1 kΩ, R2 = 10 kΩ, Vcc+ = 12 V, Vcc- = -12 V e vin uma tensão senoidal de 
amplitude 1 V pico a pico e frequencia de 1 kHz. Use o “universal opamp2” do 
LTSpice. Pede-se: 
 
a) Simule o circuito e verifique qual o ganho de tensão do circuito, usando a opção 
“transiente”. 
 
b) Use a opção “análise AC” e verifique a resposta em frequencia do circuito. Qual 
sua frequencia de corte? Qual a frequencia de ganho unitário? Qual o ganho dc? 
Qual o produto ganho-bandapassante, utilizando os valores de ganho dc e 
bandapassante medidos acima e qual o valor medido? Por qual motivo o ganho 
do sistema não é constante? 
 
c) Aumente a frequencia do sinal de entrada para uma maior que a frequencia de 
corte. O que acontece com o sinal de saída e como você justifica? Calcule o 
ganho esperado na teoria para esta frequencia e compare com o encontrado na 
pratica. 
 
d) Aumente a frequencia do sinal de entrada para 10 kHz, 100 kHz, 300 kHz e 
500 kHz. O que você pode observar? Explique os resultados obtidos. 
 
e) Com base nos resultados obtidos no item anterior, calcule o slew rate, 
aproximadamente. Calcule a máxima frequencia possível do sinal de entrada 
para que não haja distorção (largura de banda de potencia). Coloque na entrada 
um sinal com esta frequência, verifique o resultado e compare com os resultados 
do item (d). 
 
 
Universidade Federal Fluminense – UFF
Escola de Engenharia – TCE
Curso de Engenharia de Telecomunicações – TGT
Eletrônica Analógica II
(TET-00.291)
Simulação I
Data limite: 06/10/2020
Aluno: Lucas Baptista de Moraes
Professor: Jacqueline Silva Pereira
Niterói – RJ
Outubro / 2020
1. Dado o circuito de amplificador operacional, na configuração inversora, considera
R1 = 1 kΩ, R2 = 10 kΩ, Vcc+ = 12 V , Vcc− = −12 V e Vin uma tensão senoidal
de amplitude 2 V pico a pico e frequência 1 kHz. Use o “universal opamp2”do
LTSpice. Pede-se:
Figura 1: Circuito de Amplificador Operacional desenvolvido no MultisimLive.
Neste relatório foi utilizado o ambiente de simulação MultisimLive, as confi-
gurações do Amplificador Operacional são as seguintes mostradas na Figura 2.
Figura 2: Configurações do Amplificador Operacional.
1
(a) Simule o circuito e verifique qual o ganho de tensão do circuito, usando a opção
“transiente”.
Desenvolvimento: Temos que Vin = 2 V pico a pico, portanto, podemos
observar (Figura 3) com o aux́ılio do cursor 1 e 2, o valor de Vop máximo e
mı́nimo aproximadamente, o ganho de tensão será:
Vop
Vinp
≈ 10
1
≈ 10.
Figura 3: Ganho de Tensão - Análise Transiente.
2
(b) Use a opção “análise AC” e verifique a resposta em frequência do circuito. Qual
sua frequência de corte? Qual a frequência de ganho unitário? Qual o ganho
DC? Qual o produto ganho-bandapassante, utilizando os valores de ganho DC
e bandapassante medidos acima e qual o valor medido? Por qual motivo o
ganho do sistema não é constante?
Desenvolvimento: Na Figura 4 podemos observar a resposta em frequência
do circuito. Olhando este gráfico, podemos afirmar que o Ganho DC (A0) é
igual à 20 dB, realizando a conversão teremos que A0 dB = 20×log(A0), então
A0 = 10.
Figura 4: Análise AC.
Sabemos que a frequência de corte ocorre no ponto onde A0 − 3 dB =
20 dB − 3 dB = 17 dB. E que a frequência de ganho unitário ocorre quando
a curva corta o eixo da frequência. Portanto, foram inseridos dois cursores
C1 e C2, em aproximadamente 17 dB e 0 dB, para termos um valor dessas
frequências. Como podemos ver na parte inferior da Figura 5, fc ≈ 905, 66 kHz
e fT ≈ 8, 99 MHz.
Figura 5: Frequência de Corte e Frequência de Ganho Unitário.
O produto ganho-bandapassante é dado por:
fT = A0× fc = 9, 05 MHz.
Que é muito semelhante ao valor medido de fT = 8, 99 MHz.
3
O ganho do sistema não é constante porque as capacitâncias internas do
amplificador operacional degradam o funcionamento em altas frequências. Fun-
cionando como um filtro passa-baixa de primeira ordem.
(c) Aumente a frequência do sinal de entrada para uma maior que a frequência de
corte. O que acontece com o sinal de sáıda e como você justifica? Calcule o
ganho esperado na teoria para esta frequência e compare com o encontrado na
prática.
Desenvolvimento: Quando um sinal de entrada possui uma taxa de variação
mais rápida que a do Amplificador Operacional, a sáıda do circuito será distor-
cida. Utilizando uma frequência de entrada de 1 MHz (maior que a frequência
de corte obtida no item anterior), podemos observar (Figura 6) uma grande
distorção nos resultados comparados com a frequência de 1 kHz. Com aux́ılio
da Figura 7 podemos ver o mesmo gráfico que a Figura 6, porém ampliado
para obtermos a tensão máxima e mı́nima de sáıda, com o aux́ılio do cursor 1
e 2, nessa frequência.
Figura 6: Análise Transiente - fin > fc.
Figura 7: Análise Transiente Ampliado - fin > fc.
Teoricamente, teŕıamos de ganho esperado para essa frequência:
Avo(s) =
A0
1 + s
fc
→ Avo(1 MHz) =
10
1 + 1 MHz
905,66 kHz
≈ 4, 76.
4
Na prática, temos que Vop =
2,29−(−2,32)
2
= 2, 3 V , portanto:
Avo =
2, 3
1
= 2, 3.
(d) Aumente a frequência do sinal de entrada para 10 kHz, 100 kHz, 300 kHz e
500 kHz. O que você pode observar? Explique os resultados obtidos.
Desenvolvimento: Como citado anteriormente, quando um sinal de entrada
possui uma taxa de variação maior que a do Amplificador Operacional, o sinal
de sáıda começa a sofrer essas alterações, causando distorções. Na Figuras 8
e 9, vemos que ainda não ocorre uma distorção propriamente dita com uma
frequência dez vezes maior que a da primeira análise, pois a diferença entre
essa Análise de Transiente e a da Figura 3 é quase que impercept́ıvel.
Quando avançamos para os próximos gráficos vemos que a distorção é muito
grande, ou seja, a taxa de variação do sinal de entrada é muito maior que a do
Amplificador Operacional, causando uma grande distorção no sinal de sáıda.
No gráfico da Figura 10 obtemos uma sáıda de Vop ≈ 7, 5 V e no gráfico da
Figura 11 obtemos uma sáıda de Vop ≈ 4, 55 V .
Figura 8: Análise Transiente - fin = 10 kHz.
Figura 9: Análise Transiente - fin = 100 kHz.
5
Figura 10: Análise Transiente - fin = 300 kHz.
Figura 11: Análise Transiente - fin = 500 kHz.
(e) Com base nos resultados obtidos no item anterior, calcule o slew rate, apro-
ximadamente. Calcule a máxima frequência posśıvel do sinal de entrada para
que não haja distorção (largura de banda de potência). Coloque na entrada um
sinal com esta frequência, verifique o resultado e compare com os resultados
do item (d).
Desenvolvimento: Para calcular o Slew Rate (SR), iremos utilizar os valo-
res de tensão e frequência obtidos através da Análise Transiente, onde fin =
500 kHz, e podemos visualizar na Figura 12 os valores da reta para realização
deste cálculo.
Figura 12: Análise Transiente Ampliada - fin = 500 kHz.
6
Temos que:
SR =
3, 98− (−1, 71)
9, 75µ− 9, 18µ
≈ 9, 98 MV/s
Tendo obtido o valor de SR, podemos calcular a frequência máxima do sinal
de entrada para que não haja distorção:
Vo = −
R2
R1
× Vin (Configuração Inversora)
dVo
dt
=
R2
R1
× ω × Vinp × cosωt
O SR é a máxima taxa de variação da sáıda, então:
SR =
R2
R1
× ω × V inp = R2
R1
2πfmáxVinp
fmáx =
SR
2πVinp
× R1
R2
=
9, 98 M
2π
× 1 k
10k
≈ 0, 159 M = 159 kHz.
Figura 13: Análise Transiente - fmáx = 159 kHz.
Podemos observar na Figura 13 que a tensão de pico de sáıda continua muito
próxima de 10 V , como nas Figuras 8 e 9, não sofrendo efeitos de distorção
linear. Caso essa frequência for aumentada, começaremos a ter uma resposta
mais parecida com as Figuras 10 e 11, onde o efeito doSlew Rate já está
bastante presente.
7