Amplificador Operacional 
Aula01: Introdução - Amplificador Inversor 

1.  Características Principais

1.1.           Introdução

O amplificador operacional (AO) é um dispositivo em circuito integrado (CI) que tem grandes aplicações em todas as áreas da eletrônica (filtros,aplicações lineares, aplicações não lineares, áudio, controle, operações aritméticas, etc). Como o circuito interno é muito complexo toda a analise  será feita considerando 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.

     De acordo com a figura 1.1.a  podemos observar que  o AO tem duas entradas,  uma chamada de entrada inversora (-) e outra  chamada de não inversora (+), sendo assim chamadas  pois uma tensão aplicada na entrada  - a resposta na saída estará defasada de 180º, e se o mesmo sinal for aplicado na entrada + a resposta na saida estará em fase com a entrada.

Av é o ganho em malha aberta (sem realimentação) tem um valor muito alto, no caso do 741 tipicamente   Av=100.000 
 .

  Ri é a resistência de entrada em malha aberta, e tem um valor muito alto (no caso do 741  Ri = 1M Ohm)

Ro é a resistência de saída em malha aberta,  tem um valor baixo (no caso do 741  Ro = 75 Ohms )  

Vi =V2 - V1 = sinal erro ou sinal diferença, é o que é amplificado efetivamente,   isto é, a tensão na saída  será proporcional à diferença entre as duas tensões de entrada

Vs = Av.Vi= Av.(V2-V1)

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 o 741, o qual pode ter dois tipos de encapsulamento, a figura a seguir mostra a o mais usual, o Dual In Line Package (DIP) de 8 pinos. Para maiores detalhes consultar o manual. O  MC 1458 consiste de um par de 741 encapsulados  em um mesmo chip.

                                                              ( a )                                                          ( b )

Fig2: Pinagem  amplificador ( a )  741 ( b ) 1458 

 1.2. 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_-), onde A_V é o ganho em malha aberta, sendo tipicamente igual a 100.000 no caso do 741,  V₊  a tensão na entrada não inversora e V_- a tensão na entrada inversora. Desta forma se na figura  3a,   na entrada não inversora a tensão é 3V e na entrada inversora é 0V e considerando um ganho de 100.000 a saída será:

 V_s=100.000.(3-0)=300.000V!!       

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 )                                ( c )

Fig3: Amplificador operacional em malha aberta

No outro caso, figura 3b,  V₊=0  e V_-=3V  a saída também satura, porem negativamente e em um valor um pouco menor, 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.

Curva de Transferência

A curva de transferência relaciona a tensão de saída (Vs) com a de entrada (Ve). A figura a seguir mostra o caso ideal  (ganho de malha aberta infinito) e o real (ganho de malha aberta 100.000)

Fig 4: Curva característica de transferência em malha aberta (sem realimentação)

Veja que na pratica, dependendo dos valores de entrada considerados um AO real pode ter o comportamento de um ideal. Se na figura 4 a escala  horizontal fosse não mV mas V o gráfico em preto tambem estaria na vertical.

arquivo com uma curva de transferencia com escala de X pequena (3mV,-3mV) (microcap8)

arquivo com uma curva de transferencia com escala de X grande (3V,-3V) (microcap8)

Antes de continuar responda as questões:

1) Quais as principais características de um AO ideal ?
2) Por que ele pode amplificar também tensões continuas?
3) O que é a curva de transferência em malha aberta? 
4) Por que não usamos o AO em malha aberta para amplificar sinais ?

2. Experiência AO01: AO em Malha  Aberta

  2.1.  Abra o arquivo EXP01 MicroCap8  ou  ExpAO01 (Multisim 10.1) e  identifique o   circuito da figura 5. Execute uma simulação executando uma analise Dynamic DC. Considere que a alimentação é VCC=±15V. Meça   a tensão de saída (Vs). O que era esperado ?

( a )
( b )
Fig 5: ( a ) AO em malha aberta  ( a ) MicroCap ( b ) Multisim

                              
Tabela I: Tensão na saída em malha aberta

A seguir mostraremos as duas aplicações básicas do AO como amplificador. Todas as outras aplicações  lineares serão derivadas de uma  ou das duas.

3. O Amplificador Inversor

      O circuito a seguir é chamado de amplificador inversor pois a tensão de saída (Vs) está defasada de 180º em relação à entrada (Ve).

Fig 6:  Amplificador inversor     

     Para deduzirmos a expressão do ganho com realimentação (Avf=Vs/Ve) consideraremos as seguintes características de um  AO é ideal:

• Ganho de malha aberta infinito, logo Vi = Vs/Av =0. Portanto na figura4 a tensão em R1 vale Ve.
• Impedância de entrada infinita, conseqüentemente  as  corrente nas duas entradas + e - valem  zero,  Ii=0,  portanto na figura4 podemos afirmar que  I1=I2.

Curto Circuito Virtual
    Como a tensão entre as duas entradas é nula (curto circuito), mas apesar disso a corrente é nula (não esqueça em um curto circuito a corrente é máxima),  por causa disso dizemos que  entre as duas entradas existe um "curto circuito " virtual e que na entrada inversora temos um terra virtual.    

Não esqueça!!  I1=I2 no circuito acima

e

Como Vi=0 >> Ve=R1.I1   e  Vs=-R2.I1

Do circuito acima deduzimos, em função das observações:  

Ve=R1.I1  e   Vs= - R2.I2

Portanto o ganho do circuito será:

 
E como I1=I1 resulta para o ganho a seguinte expressão:

O sinal negativo indica defasagem de 180º entre Ve e Vs .

A Realimentação Negativa

    É obtida conectando  a saída à  entrada inversora (caso a saída estivesse conectada com a entrada não inversora a realimentação seria positiva).

    Todos os amplificadores com AO obrigatoriamente terão realimentação negativa. A  realimentação negativa confere aos amplificadores algumas características interessantes tais como: estabilidade do ganho, aumento na largura de faixa, diminuição na distorção e modificação na impedância de entrada e saída.
Mais uma vez: "Para qualquer  amplificador a realimentação (conexão entre a saída e a entrada)  deverá ser negativa  (saída conectada com a entrada inversora)". 
    Como podemos verificar da expressão do ganho do amplificador inversor, o ganho "não depende da carga " nem do AO.  A impedância de entrada desse circuito é  igual a R1  e a impedância de saída  dada por 
 

                          R_of  = (Ro.R2)/Av.R1.

A resistência de entrada do circuito é dada por Rif = R1 (é a resistência efetivamente “vista” pela fonte Ve).

Exercícios Resolvidos

ExResol 1.1.. Calcule VS e a corrente de saída do AO (IAO) no circuito.

Solução:

Ve =1V AVf = - 4K7/1K = -4,7 logo Vs = AVf.Ve = -4,7.1V = - 4,7V

IL = -4,7V/10K = - 0,47mA( para cima) e IAO = I1 + I2 = 1mA + 0,47mA = 1,47mA

( entrando no AO )

Simulação: Para ver a solução com simulação abrir o arquivo ArquivoAO_1_1.CIR
 

ExResol  1.2. Para o circuito a seguir pedem-se:  a) Desenhar os gráficos de Vsxt e Vext para o circuito b) Desenhar a curva característica de transferência (V_sxV_e)  se a tensão de saturação é dada V_Sat=±12V

Ve = 1.senwt(V)

Solução:

a) AVf = Vs/Ve = -10 logo Vs = -10.1.senwt = -10.senwt(V)

Formas de onda

b)     A curva de transferência de qualquer dispositivo relaciona a variável de entrada com a variável de saída. Por exemplo, em um motor a variável de entrada pode ser a tensão no enrolamento a saída a rotação no eixo. No nosso caso a entrada é uma tensão e a saída também.

A curva de transferência é basicamente a representação gráfica da equação V_S=10.V_e dentro da região linear, isto é, para saturar (atingir 12V na saída) a entrada deve valer ±1,2V.  Matematicamente escrevemos: 

V_S=-10.V_e         é valido para       -1,2V≤Ve ≤ 1,2V

Simulação: Para ver a solução com simulação abrir o arquivo ArquivoAO_1_2.CIR

4. Experiência AO02: Amplificador Inversor em CA - Medida do Ganho

 4.2.1. Calcule o ganho do circuito da figura 1.9 e anote na Tabela II. Abra o arquivo ExpAO02  MicroCap8     ou  ExpAO02  (Multisim 10.1) e anote as formas de onda de entrada (Ventr) e saida (Vsaida), medindo valor de pico a pico  da tensão de saida (V_SPP) e calcule o ganho (Av=Vspp/Vepp), anotando na Tabela II.

4.2.2 Execute uma analise DC (Analysis>>DC>>Run) para ver a curva de transferência (VsxVe)

Tabela II: Determinando o ganho

4.2.3. Aumente a amplitude de Ve para 2V de pico e observe o que acontece com as formas  de onda.

4.2.4. Conclusões

5. Experiência AO03: Amplificador Inversor  em CC 

5.1. Calcule  o valor das correntes indicadas pelos amperímetros e a tensão indicada pelo voltímetro na saída. .Anote na tabela III os valores calculados.

5.2. Abra o arquivo    ExpAO03  MicroCap8     ou  ExpAO03  e identifique o circuito da figura 8. Execute uma analise Dynamic DC e meça todas as correntes e tensões indicadas pelos instrumentos. Anote os valores das correntes e tensões indicadas pelos instrumentos na Tabela III

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( a )

( b )

Fig 8:Amplificador   Inversor em  tensão CC     ( a ) MicroCap ( b ) Mmultisim

Tabela III : Amplificador Inversor em CC - Medida das correntes e tensões

5.3. Conclusões: