Relatório: Circuitos com Amplificadores Operacionais - Parte I

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Circuitos com Amplificadores Operacionais - Parte I
Laboratório de Circuitos I
Professor Danilo Melges
22/06/2021
Introdução
Amplificadores Operacionais, também chamados de amp-ops, são circuitos
integrados (CI), capazes de amplificar um sinal de entrada e de realizar operações
matemáticas quando operando em região linear.
Na região de saturação, este dispositivo pode ser utilizado como
comparador,gerador de onda quadrada, dente de serra, filtros, osciladores, etc.
O amp-op possui dois terminais de entrada, um chamado de entrada inversora (-) e
outro de entrada não inversora (+). Possui uma saída e dois terminais, um sendo a
alimentação positiva (+Vcc) e o outro a alimentação negativa (-Vcc).
Figura 1: ilustração de um amp-op (1)
Entre os amplificadores operacionais, o mais comum é o LM741, da fabricante Texas
Instruments.
Um amp-op possui várias características quando funcionando de maneira correta,
dentre elas podemos destacar o alto ganho de malha aberta, resposta a altas frequências,
alta impedância de entrada, baixa impedância de saída e baixa sensibilidade à temperatura.
Quando o valor de saída fica entre V+ (Vcc/A) e V- (-Vcc/A), dizemos que o
amplificador está operando na região linear. No entanto, quando o valor de saída é
propriamente igual a V+ (Vcc/A) ou V- (-Vcc/A), dizemos que ele está na região saturada.
Podemos dividir a região de saturação em saturação positiva e saturação negativa.
A é o ganho do amplificador, ou seja, quantas vezes o sinal foi amplificado.
Figura 2: Gráfico de região linear e saturada de um amplificador operacional (2)
Figura 3: Relações matemáticas encontradas em um amp-op
Quando temos um amplificador operacional ideal trabalhando na região linear,
temos que para sendo a tensão (voltage) positiva da entrada inversora e sendo a𝑣
𝑃
𝑣
𝑛
tensão negativa da entrada não inversora e a tensão de saída, temos que𝑣
𝑜
𝑣
𝑝
= 𝑣
𝑛
𝑖
𝑝
= 𝑖
𝑛
= 0
,𝑉
𝑐𝑐−
<= 𝑉
0
 <= 𝑉
𝑐𝑐+
como mostra a imagem.
Figura 4: amp op trabalhando na região linear (3)
Figura 5: Estudo da corrente em um amp-op ideal (3)
Em um amp-op ideal, temos a seguinte situação, em que Ri é a Resistência de
Entrada do Amp Op:
Pode haver uma corrente considerável no terminal de saída, mesmo que a corrente
nos terminais de entrada seja desprezível. No entanto, há a conservação de carga elétrica
no componente, uma vez que a corrente fornecida na saída provém dos terminais de
alimentação.
Objetivos
Obter uma visão geral do amplificador operacional e realizar uma análise
experimental de seu funcionamento básico.
Materiais
Fonte de tensão contínua, multímetro, potenciômetros, capacitores, LED e AmpOp
de sua preferência (foi utilizado o ADA4177).
Métodos
Característica de transferência DC de amplificadores operacionais
Nesta parte, iremos focar na transferência de tensão DC de um amplificador
Operacional.
Montaremos o circuito a seguir no LTSpice.
Figura 6: Circuito a ser montado no LTSpice
Figura 7: Circuito montado no LTSpice
Deve-se notar, no entanto, que a ferramenta “dc sweep” disponibilizada pelo
software LTspice é um facilitador para o processo em simulação, uma vez que, na prática
em laboratório, caso não dispuséssemos de uma fonte de tensão com amplitude variável,
seria necessária a montagem do seguinte circuito, envolvendo duas fontes de tensão
constantes, de forma a montar uma fonte simétrica (de -2V a 2V, nesse caso), e um
potenciômetro para regular a amplitude de tal sinal, além do capacitor para filtrar a oscilação
e reduzir o ruído dos componentes, mantendo assim, mínimas condições de estabilidade
para a leitura da tensão.
Figura 8. Circuito variante em laboratório
O amplificador operacional como um comparador de tensão
Para avaliar o funcionamento do amplificador operacional como comparador,
projetamos dois circuitos, um para acionamento de um LED e o outro para gerar uma
tensão de referência.
Iremos calcular o valor do Resistor R da figura abaixo, considerando Vs igual à 15V,
e o Led opera sob condições de tensão de polarização e corrente .𝑉
𝐿
= 1, 7𝑉 𝐼 = 5 𝑚𝐴
Assim:
Figura 9: Circuito para acendimento do LED que terá R calculado
𝑅 =
𝑉
𝑠
−𝑉
𝐿
𝐼
𝑅 = (15 − 1, 7)/(5 * 10−3) = 2660Ω
Agora, faremos o projeto de um divisor resistivo que gere uma tensão de referência
Vref de 1 V a partir de uma fonte Vcc = 15 V, conforme mostrado na figura abaixo. Além
disso, a corrente não pode ser maior do que 10mA.
Figura 10: Circuito para geração da tensão de referência
𝑅1 = (15 − 1) / (10 × 10−3 ) = 1400Ω
𝑅2 = (1 − 0) / (10 × 10 −3) = 100Ω
Agora, construiremos no LTSpice o seguinte circuito
Figura 11: Circuito composto por um amp-op, circuito de led e divisor resistivo
composto por um amp-op, um circuito do LED e um divisor resistivo, ou seja, uma
composição dos subcircuitos montados anteriormente.
Iremos simular V3 como um gerador de ondas senoidais, cujas frequência é igual a
10 Hz e com amplitudes iguais a 0,5V, 1V e 2V, em três simulações distintas.
Figura 12: Circuito simulado no LTSpice
Resultados
Característica de transferência DC de amplificadores operacionais
Medindo a tensão Vout no LTSpice, por meio do DC Sweep, variando a tensão de
entrada de -2 a +2 V com intervalos de 0,1 V, obtemos o seguinte gráfico:
Figura 13: Vin e Vout do circuito montado
Pelo gráfico é possível observar que a região de saturação negativa está em -15V e sua
saturação positiva em +15V, como o esperado, uma vez que a alimentação do amplificador
operacional é o fator limitante, e nesse caso, era .Em relação a diferença de potencial de± 15𝑉
entrada , temos região de saturação (negativa) entre -2V a -100mV, a região linear de(𝑣
𝑝
− 𝑣
𝑛
)
-100mV a 100 mV e a região de saturação (positiva) de 100 mV a 2V.
Podemos comparar a curva de obtida acima para um amplificador real com a𝑉
𝑖𝑛
 𝑣𝑠 𝑉
𝑜𝑢𝑡
mesma curva obtida para um amplificador ideal. Sabemos que o ganho A do op amp é muito
grande, idealmente infinito, ou seja, não esperamos encontrar região linear para um
amplificador ideal. Dessa forma, temos abaixo um resumo das curvas dos amplificadores,
supondo alimentação simétrica de .± 10𝑉
Figura 14. Comparação entre as curvas de um amplificador ideal vs real
O amplificador operacional como um comparador de tensão
Figura 15: Onda senoidal de amplitude de 0.5V.
Para a amplitude da onda de entrada de 0.5V, temos que (Vref) é sempre maior𝑣
𝑝
que (Vin), de forma que a tensão de saída (Vout) está sempre em saturação positiva,𝑣
𝑛
como esperado através da relação que rege o amp op em malha aberta.
Figura 16: Onda senoidal de amplitude de 1V.
Para a amplitude da onda de entrada de 1V, temos que (Vref) é sempre maior ou𝑣
𝑝
igual a (Vin), de forma que a tensão de saída (Vout) também está sempre em saturação𝑣
𝑛
positiva.
Figura 17: Onda senoidal de amplitude de 2V
No entanto, para a amplitude da onda de entrada de 2V, temos que a relação entre
(Vref) e (Vin) oscila no tempo, em períodos em que e períodos que , de𝑣
𝑝
𝑣
𝑛
𝑣
𝑝
> 𝑣
𝑛
𝑣
𝑝
< 𝑣
𝑛
forma que a tensão de saída (Vout) está quase sempre saturada, mas dessa vez, sua
saturação também oscila entre o ponto de saturação positiva e negativa, também da forma
como esperado. Apenas em curtos períodos de tempo o amplificador assume a faixa de
operação linear, entre as transições, em momentos que a diferença de potencial entre seus
terminais é próxima a zero , de forma que o produto não satura a saída.𝑣
𝑝
≈ 𝑣
𝑛
𝐴(𝑣
𝑝
− 𝑣
𝑛
)
Como somente nessa composição de elementos, a saída do amplificador saturou-se
positivamente, somente nessa disposição o LED (diodo) pode ser diretamente polarizado,
permitindo assim, seu funcionamento como emissor de luz. Novamente, devido ao fato do
ganho A do amplificador em malha aberta ser muito grande, nas proximidade de e𝑣
𝑝
≈ 𝑣
𝑛
com , já temos na saída uma tensão de saturação de +15 V, permitindo assim, a𝑣
𝑝
> 𝑣
𝑛
polarização do LED.
Utilizando um instante de tempo sob o qual se iniciavaa condução de corrente sobre
o diodo (foi utilizado t=542.08195 ms), foi verificada a tensão de entrada (Vin) para esse
mesmo instante como Vin=954.2293 mV. Abaixo seguem formas de onda contendo a
tensão do diodo V(n001) e sua corrente I(D1). Foi utilizado um diodo genérico que atendia
as especificações de que é uma aproximação moderada para o real de𝑉
𝐿
= 1. 7885𝑉 𝑉
𝐿
1.7V.
Figura 18. Formas de onda relativos a tensão de saída (Vout), de entrada (Vin), e a sobre o
LED (V(n001)).
Figura 19. Formas de onda relativos a tensão de saída (Vout), de entrada (Vin), e a corrente
sobre o LED (I(D1)).
Questões para o relatório
Questão 1)
Figura 20: Amp-op TL 071
Características Valor Real (TL071) Valor Ideal
Ganho de malha aberta 200 V /mV infinito
Corrente de Polarização 65 pA nula
Impedância de Entrada 10^12 Ω infinito
Impedância de Saída 192Ω nula
Figura 21: Amp-op TL 741
Características Valor Real (LM741) Valor Ideal
Ganho de malha aberta 200 V /mV infinito
Corrente de Polarização 80 pA nula
Impedância de Entrada 2 MΩ infinito
Impedância de Saída 75Ω nula
Questão 2)
Para melhor caracterizar a curva de transferência DC entre as regiões de saturação
positiva e negativa (região linear), usaremos um gerador de sinais que oferece degraus
incrementados por valores muito baixos.
Conclusão
Portanto, a partir de uma extensa análise de simulações envolvendo amplificadores
operacionais, fomos capazes de entender seu funcionamento real e ideal, e utilizar tal
componente em circuitos comparadores. Alcançamos assim, o objetivo principal desse
relatório, analisando princípios básicos de funcionamento de um amplificador
Referências
(1) https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-sao-amplificadores-operacionais/
(2) https://athoselectronics.com/amplificador-operacional/
(3) https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/2264376/mod_resource/content/1/AMPLIFIC
ADOR%20OPERACIONAL.pdf
(4) http://eletricamentefalando.blogspot.com/2011/08/valores-comerciais-de-resistores.ht
ml
https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-sao-amplificadores-operacionais/
https://athoselectronics.com/amplificador-operacional/
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/2264376/mod_resource/content/1/AMPLIFICADOR%20OPERACIONAL.pdf
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/2264376/mod_resource/content/1/AMPLIFICADOR%20OPERACIONAL.pdf
http://eletricamentefalando.blogspot.com/2011/08/valores-comerciais-de-resistores.html
http://eletricamentefalando.blogspot.com/2011/08/valores-comerciais-de-resistores.html