Amplificador Operacional
Aula02: Amplificador Não Inversor -
Buffer
1.1. Características Principais
O amplificador não inversor, como o nome mesmo diz, é um amplificador no qual a tensão de saída (Vs) está em fase com tensão de entrada (Ve). A Fig01 mostra o circuito básico.
Figura 01: Amplificador inversor - circuito básico
1.2. Ganho de Malha Fechada (com Realimentação)
A dedução pode ser feita da mesma forma que foi feita para o circuito inversor
Novamente teremos um circuito estabilizado onde o ganho só dependerá de resistores externos (R1 e R2).
1.3. Impedância de Entrada com Realimentação (Rif)
È muito alta sendo dada por:
onde Ri é a resistência de entrada em malha aberta e AV é o ganho em malha aberta (obtido do manual)
1.4. Impedância de Saída com Realimentação (Rof)
È muito baixa sendo dada por:
Exercícios Resolvidos
ExResol 1. 3. Determinar Vsaida no circuito.
Simulação: Para ver a solução com simulação abrir o arquivo ArquivoAO_1_3.CIR
Solução:
A tensão de entrada do circuito é:
como o ganho (1+R2/R1) é igual a 2 a saída será igual a:
VS = ganho.Ve=(2).2V = 4V
ExResol 1.4. - Qual a máxima amplitude que pode ter a tensão de entrada Ve para que a saída não sature distorcendo a senoide de saída ?
Vsat = ±10V
Solução:
A máxima amplitude de saída é 10V, como o ganho é AVf = 1 +10K/1K = 11 a máxima amplitude da entrada será :
Vemáx = Vsmáx/11 = 10V/11 = 0,91V
Simulação: Para ver a solução com simulação abrir o arquivo ArquivoAO_1_4.CIR
ExResol 1.5. - Qual o valor de Ventr que resulta numa saída (Vsaida) igual a 8V no circuito ?
Solução:
O ganho do 2º estágio é AVf2 = 4 logo a tensão de entrada do 2º estágio será Vs1=VS/AVf2=8V/4=2V
O ganho do 1º estágio é AVf1 =
-2 logo a tensão de entrada do 1º estágio, que é a tensão de entrada
do circuito será
Ve=VS1=2V/-=-1V.
Simulação: Para ver a solução com simulação abrir o arquivo ArquivoAO_1_5.CIR
ExResol 1.6. - Qual o valor de R para que VS=6V?
Solução:
A tensão no ponto A é igual à tensão no ponto B (a corrente através do 10K é nula). Como o ganho do segundo AO vale 2, com VS =6V a tensão na entrada (ponto B) será igual a:
VB = 6V/2 = 3V.
O 1º AO é um buffer, a sua tensão de saída (VA) é igual tensão de entrada (V+), portanto :
V+ =R.10V/(R + 10K) = 3V >>> R = 943 Ohms
Simulação: Para ver a solução com simulação abrir o arquivo ArquivoAO_1_6.CIR
2. Experiência 4 - Amplificador
Não Inversor em CA
2.1. Calcule o ganho do circuito da figura 2 e anote na Tabela
I. Abra o arquivo Exp04.CIR ou ExpAO04 (Multisim
10.1)
meça os valores de pico a pico das tensões
de entrada (Ventr) e de saída (Vsaida) e calcule o ganho.
Obs: O ganho é medido por: Ganho= Vsaidapp/Ventrpp
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( a ) |
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( b ) |
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Figura 2: Amplificador Não Inversor em CA ( a ) Multisim ( b () Microcap |
Tabela I: Ganho de tensão - Calculado e medido
Ganho Calculado (Teórico) |
Ganho Medido |
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2.2. Conclusões:
3. Experiência 05 - Amplificador
Não inversor em CC
3.1. Calcule
o valor das correntes indicadas pelos amperímetros e a tensão
indicada pelo voltímetro na saída. Anote na tabela II os valores
calculados.
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| Figura 3: Amplificado Não Inversor em CC |
Tabela II: Amplificador Não Inversor - Calculo das correntes e tensão de saída
Valores Calculados |
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I1(mA) |
I2(mA) |
IL(mA) |
VS(V) |
IAO(mA) |
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3.2. Abra o arquivo Exp05.CIR ou ExpAO05 (Multisim 10.1) e identifique o circuito da figura 3, meça as correntes e tensões indicadas pelos instrumentos. Anote os resultados na tabela III (Valores medidos)
Tabela III: Amplificador Não Inversor - Medida das correntes e tensão de saída
Valores Simulados |
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I1(mA) |
I2(mA) |
IL(mA) |
VS(V) |
IAO(mA) |
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4. Buffer
(Seguidor de Tensão)
Um Buffer ou seguidor de tensão tem
três características:
A principal aplicação dos
Buffers é como elemento "casador" de impedância
e como interface entre circuitos que consomem corrente e circuito
que não dispõe de capacidade de corrente.
A Fig04 mostra o circuito do Buffer com AO. Podemos identificar neste, o
amplificador não inversor no qual R2=0 e R1 é infinito
de forma que considerando a expressão do ganho do amplificador
não inversor obtemos Avf=1.
Figura 4: Circuito de um Buffer (seguidor de tensão) usando AO
Consideremos um exemplo de aplicação:
Na Fig05a temos um circuito que
é um divisor de tensão. Ve representa a tensão de saída de um amplificador
e Rs representa a impedância de saída deste amplificador.
Qual o valor da tensão na carga de 1K (RL)?
Vs = (1K.2V)/1K+10K)
= 0,18V (aproximadamente).
Esse
valor é tão baixo devido ao fato da resistência de
saída do amplificador ser muito maior do que o valor da carga.
Para obter na carga o maior valor possível de tensão deve-se interpor entre a carga e a saída do
amplificador um circuito buffer que tem as características já
citadas acima (impedância de entrada altíssima, de saída baixíssima e ganho de
tensão 1), Fig06. O resultado é que agora a tensão na
carga será igual à tensão da fonte de sinal.
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| ( a ) | ( b ) |
Figura 05: Divisor de tensão |
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Como podemos verificar da figura 5, a tensão na carga (0,1818V) é bem menor do qua a tensão da fonte, isso porque a carga é bem menor do que a resistencia da fonte (10K).
Se colocarmos entre a carga e a fonte um Buffer será possível obter na carga praticamente toda a tensão da fonte.
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Figura 06: Buffer como interface no divisor de tensão |
5.1- Calcule o valor da tensão na saída (Vs) dos circuitos da figura a seguir. Abra o arquivo Exp06.CIR, ou ExpAO06 (Multisim 10.1)meça a tensão de saída e calcule o ganho.
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( a ) |
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( b ) |
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Figura 07: ( a ) Divisor de tensão (b ) Interpolando um buffer entre carga e fonte de tensão |
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Caso a: sem buffer Caso b: com buffer
Tabela IV: Buffer
Valores Calculados |
Valores Simulados |
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Caso a |
Caso b |
Caso a |
Caso b |
VS |
VS |
VS |
VS |
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5.2. Conclusões:
6. Saída de Potência
A máxima corrente de saída de um AO (no caso do 741) é aproximadamente 20mA, quando a carga solicitar uma corrente maior, é necessário colocar entre a carga e o AO um reforçador de corrente que é em geral um transistor na configuração coletor comum. A figura 8a é um circuito não-inversor com saída de potência. O circuito da figura 8b tem reforço de corrente e permite que a entrada seja alternada (no semiciclo positivo conduz TR1 e no semiciclo negativo conduz TR2).
( a )
( b )
Figura 8: Amplificador não-inversor com saída de potência ( a ) entrada CC ( b ) entrada CA
ExResol 1.7. No circuito pede-se calcular: a) Corrente na carga b) Corrente na saída do AO
c)Potência dissipada na carga. Dado: beta =200
Solução:
I1 = VR1/R1 =5V/10K =0,5mA = I2 Þ VR2 = 10K.0,5mA = 5V
como VL = VR1 + VR2 = 5 + 5 = 10V >>> IL = 10V/100W = 0,1A = 100mA.
b) IE = I2 + IL = 0,5 + 100 = 100,5mA =IC
IAO =IB = IC/b = 100,5mA/200 = 0,5mA
c) PDRL = VL.IL = 10V.0,1 A = 1W a potência dissipada transistor é calculada por
PDTR = VCE.IC = 5V.0,1 A=0,5W.
Simulação: Para ver a solução com simulação abrir o arquivo ArquivoAO_1_7.CIR
ExResol 1.8. Calcule a potência dissipada na carga RL.
Solução:
No semiciclo positivo conduz TR2 e TR1 corta, e considerando o valor de pico da entrada (1V), a corrente em 1K e em 10K será I =1V/1K =1mA resultando uma tensão na carga de Vs = AVf.Ve = (-10).1V = -10V de forma que a corrente na carga será igual a IL =-10V/20 Ohms = -0,5 A (para cima).No semiciclo negativo as correntes invertem de sentido e agora quem conduz é TR1 , e TR2 corta.
Ve: Semiciclo positivo
Ve: Semiciclo negativo
A tensão de pico na carga é VP =10V como é uma tensão senoidal o seu valor eficaz é:
Portanto a potência dissipada na carga será:
Simulação: Para ver a solução com simulação abrir o arquivo ArquivoAO_1_8.CIR
Exercícios Propostos
ExProp 1.1 Calcular VS em cada caso.
1a.
1b
ExProp 1.2. Calcule a corrente na saída de cada AO no ex1
ExProp 1.3..
O circuito a seguir funciona como uma fonte de corrente constante (mesmo que a
carga mude de valor , o valor da corrente não muda ). Pede-se:
a)
Valor da corrente na carga (IL)
b)
Quais os limites que pode ter RL, na prática,
para que o circuito possa funcionarcomo fonte de corrente?
ExProp 1.4. O circuito é um voltímetro de precisão. Qual o fim de escala para cada posição da chave?
ExProp 1.5. O circuito é um ohmímetro de precisão e linear. Quais os limites de resistência que podem ser medidos (fim de escala) em cada posição da chave?
Obs: Os resistores (100Ohms,1K,10K) são de precisão e o voltímetro na saída tem 10V de fim de escala. Rx é a resistência desconhecida
Bibliografia:UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555 - Rômulo Oliveira Albuquerque e Antonio Carlos Seabra - Ed Erica
