Experiência 01: Amplificador Operacional em Malha Aberta - Introdução

 Objetivos

1. Verificar o comportamento de um AO Amplificador Operacional em malha aberta.
2. Medir a  saída saturada positiva e negativa

Material Usado  

                                                           
2 Baterias de 9V  com terminais                           
1 Multímetro digital
1 Matriz de pontos
1 Suporte para 2 pilhas de 1,5V
2 Pilhas de 1,5V
Fios para conexões

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Introdução Teórica

    O amplificador operacional (AO) é um dispositivo em circuito integrado (CI) de grande aplicações em praticamentes todas as áreas da eletrônica. Para o estudo do mesmo é usado o modelo (circuito equivalente) mostrado na  figura 1b, o qual é adequado para a maioria das aplicações. A figura 1a mostra o símbolo do AO e a figura 1b o circuito equivalente simplificado.

              ( a )                                                                  ( b )

Figura 1 -  Amplificador operacional – Símbolo e circuito equivalente

Na figura 1,  V1 é a tensão aplicada na entrada não inversora e V2 a tensão aplicada na entrada inversora.

 Vi = V1 – V2 é o sinal erro ou sinal diferença

Ri é a resistência de entrada sem realimentação

RO é a resistência de saída sem realimentação

Av é o ganho de tensão em malha aberta (ganho sem realimentação)

+V_cc é o valor da fonte positiva e  - V_cc é a fonte negativa  sendo conhecidas como fonte simétrica.

Sem nenhuma carga ligada na saída, VS=AvVi=Av.(V1 – V2 ), isto é, o AO pode ser considerado basicamente como um amplificador diferencial, pois a saída responde somente à diferença entre as duas tensões de entrada, se V1=V2          então    VS=0.

 O Amplificador Operacional Ideal

Um AO idealmente deveria ter as seguintes características:

a) Resistência de entrada infinita

b) Resistência de saída nula

c) Ganho de tensão em malha aberta infinito

d) Largura de faixa infinito

e) Ausência de offset na saída (Vs=0 se V1 = V2 )

f) Slew rate infinito

 Na pratica, considerando o  AO 741, os valores valem  aproximadamente:

  a)       Ro= 75Ω

b)       Ri= 1MΩ

c)       Av=100.000

d)       LF= 8Hz

e)       Vio=2mV

f)      SR=0,7V/μs

Existem vários tipos de amplificadores operacionais, um para cada tipo de aplicação, O AO mais simples e mais conhecido é 741, o qual pode ter dois tipos de encapsulamento, o DIP  (Dual In Line Package) e o TO-99, sendo o DIP de 8 pinos o mais usual, figura 2.

Amplificador Operacional em Malha Aberta

Malha aberta significa que não existe realimentação (saída conectada com um das entradas), nessa condição  a  tensão na saída  é dada por:

  V_S=A_V.(V₊ – V_-)

 Como o valor do ganho em malha aberta  (A_V)  é muito alto (tipicamente igual a 100.000) para aplicação como amplificador é necessário aplicar realimentação negativa entre a sadia e a entrada. Sem esse tipo de realimentação a saída satura facilmente, isto é, atinge o maior valor o ou negativo.positivo

 Obviamente que não será essa a saída, pois a máxima tensão esta limitada à alimentação, nessas condições dizemos que a saída satura. Se a alimentação simétrica  for ±12V a saída será aproximadamente +12V.

                         ( a )                                               ( b )                                
Figura 3 -  Amplificador operacional em malha aberta

No outro caso, figura 3b, V₊=0  e V_-=3V  a saída também satura, porem negativamente, aproximadamente -12V. No terceiro caso, figura 3c, teoricamente a saída será nula, mas devido ás imperfeições do circuito interno a saída será diferente de zero. Na pratica os valores de saturação são diferentes em modulo e menores que o valor da alimentação.
A figura 3b mostra como obter de forma simples e barata uma fonte simétrica de 9V a partir de duas baterias de 9V.

Procedimento Experimental

1. Na maioria dos casos o AO é alimentado com  uma fonte simétrica, existindo varias formas de se construir uma fonte simetrica, neste kit serão usadas duas baterias de 9V. A figura 4 mostra as duas baterias de 9V que serão usadas para alimentar o AO, no caso da figura 4a o terminal negativo de uma é conectado ao terminal positivo da outra bateria externamente à MP. O ponto em comum é o terra (GND ou 0V), mas veja que as duas baterias podem estar separadas e voce é que terá de conectar na matriz de pontos os dois terras, na mesma linha horizontal, conforme figura 4c.

( a )	( b )
( c )
Figura 4: ( a ) e ( b )Fonte simétrica de 9V ( c ) AO sendo alimentado pela fonte simétrica de 9V

2. Monte o circuito da figura 5a conforme layout  da   figura 5b, e meça a tensão na saída (Vs).Observe que as baterias não aparecem,  mas sim os pontos terminais (+9V, GND e -9V).

Vs=_________

( a )

( b )

Figura 4 -  Montagem  do amplificador operacional em malha aberta ( a ) circuito ( b ) layout na matriz de pontos - entrada em 3V

3. Repita o item 2 considerando que a tensão na entrada não inversora é -3V com a entrada inversora aterrada, para isso inverta os terminais das duas pilhas conforme figura 5.

Vs=_______

( a )

Figura 5:   Montagem  do amplificador operacional em malha aberta ( a ) circuito ( b ) layout na matriz de pontos - entrada não inversora em -3V

4. Repita o item 2 considerando que a tensão na entrada  inversora é 3V e na entrada não inversora é zero. Meça a tensão na saida e anote.

Vs=_______

( a )

Figura 6:   Montagem  do amplificador operacional em malha aberta ( a ) circuito ( b ) layout na matriz de pontos - entrada inversora em 3V

5. Considere agora que a tensão na entrada  inversora é -3V com a entrada não inversora aterrada. Meça a tensão na saída.

Vs=_______

( a )

( b )
 

Figura 6 -   Montagem  do amplificador operacional em malha aberta ( a ) circuito ( b ) layout na matriz de pontos - entrada inversora em -3V

6. Baseado nas medidas e observações efetuadas escreva a sua conclusão.