Aula07
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Aula09
Amplificador Operacional
Aula08: Circuitos Não Lineares - Comparadores
1. Comparadores de Zero
Como já visto, quando em malha aberta o AO tem um ganho muito alto, de forma que qualquer tensão ao ser aplicada entre as entradas, por menor que seja, leva o AO à saturação. A explicação para isso está na curva característica de transferência. Na Fig01 vemos a curva característica de transferência típica de um AO, em malha aberta (sem realimentação).
1.1. Curva Característica de Transferência de Malha Aberta
A figura a seguir mostra a curva característica de transferência em malha aberta de um Ao típico e do AO ideal.
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Figura 01: Curva característica de transferência - AO ideal (vermelha) - real (preta) |
2. Comparador de Zero
Não Inversor
Na curva característica do AO em malha aberta da Figura 01 podemos verificar que a saída varia linearmente com a entrada se esta se mantiver no intervalo entre -0,1mV e 0,1mV. Fora deste intervalo o AO satura. Na prática, se os valores da tensão de entrada forem , em módulo, muito maiores do que 0,1mV a curva característica de transferência se aproxima da ideal. Observe que isso implica em mudar a escala. No gráfico da Figura 02 onde está o valor 0,1mV? Em zero com certeza !! Isto é, na pratica, quando trabalhamos com valores muito maiores do que 0,1mV, o comportamento do nosso AO real é "próximo do ideal".
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Figura 02: Comparador de zero não inversor e sua curva característica de transferência. |
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O circuito
da Figura 02a muitas vezes é chamado de comparador de zero ou detector de zero não
inversor porque quando a tensão de entrada passar por zero a saída
muda de +VSat
para -VSat ou
vice versa.
Por exemplo, se Ve = 4.senwt(V) no circuito da Figura 02 a saída será uma onda quadrada
de mesma freqüência e em fase com a senóide de entrada. A
Figura 03 mostra as formas de onda de entrada e saída.
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Figura 03: Formas de onda de entrada ( senóide ) e de saída(quadrada) de um comparador de zero não inversor. |
Pelo
visto fica claro o por que do nome comparador ou detetor de zero,
toda vez que a entrada passa pelo zero a saída mudará de
+ Vcc para -Vcc ou vice -versa.
3. ExperiênciaAO14 - Comparador de Zero
Não Inversor
3.1. Abra o arquivo Exp14.CIR ou
ExpAO14 (Multisim
10.1) e identifique o circuito
da Figura 04. Inicie a simulação anotando as formas de onda de saída
(Vs) e entrada (Ve). Anote também os valores
máximo e mínimo da tensão de saturação.
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( a ) |
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( b ) |
Figura 04: Comparador de Zero Não Inversor |
3.2. Conclusões
4. Comparador de
Zero Inversor
Ë semelhante ao não inversor, porém o sinal é aplicado na entrada inversora, Figura 05 .
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Figura 05: Comparador de zero inversor e sua curva característica de transferência. |
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Se for aplicado um sinal senoidal como Ve = 4.senwt(V) na entrada do circuito a saída será uma onda quadrada de mesma freqüência, mas defasada de 180º em relação à entrada, Figura 06.
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Figura 06: Formas de onda de entrada (senóide ) e de saída(quadrada) de um comparador de zero inversor |
5. ExperiênciaAO15 -
Comparador de Zero Inversor
5.1.
Abra o arquivo Exp15.CIR ou
ExpAO15 (Multisim
10.1)
identifique o
circuito da Figura 07. Inicie a simulação anotando as formas de onda de saída (Vs) e entrad (Ve). Anote também os valores máximo
e mínimo da tensão
de saturação.
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Figura 07: Comparador Inversor |
5.2. Conclusões
6. Comparador Inversor com
Histerese
Por causa do alto ganho os circuitos comparadores anteriores são
sensíveis à ruídos. Quando a entrada está passando
por zero, se aparecer um ruído na entrada a saída oscilará
entre +VSat e -VSat
até que a amplitude do sinal supere
a do ruído. O circuito ligado na saída entenderá
que o sinal na entrada do comparador passou varias
vezes por zero, quando na realidade foi o ruído
que provocou as mudanças na saída
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Figura 08: Comparador de zero inversor com Histerese e curva de transferência. |
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Observe no circuito da Figura 08 que a realimentação
é
positiva, (se as entradas fossem invertidas o circuito seria um amplificador
não inversor, atenção portanto !!!).
A realimentação positiva faz com que a mudança de +VSat para -VSat ou vice versa seja mais rápida ( só é limitada pelo slew rate do AO ). Os valores das tensões que provocam a mudança da saída são calculados por :

Histerese = V1 - V2
Para mudar de +VSat para -VSat a amplitude do sinal deve ser maior do que V1 e para mudar de - VSat para + VSat a amplitude do sinal deve ser menor do que - VSat.
A figura 9 mostra a entrada e a saída de um comparador de zero inversor com histerese.
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Figura 09: Formas de onda na entrada e saída de um
do comparador
inversor com Histerese |
Observe que a forma de
onda continua a ser quadrada, porém com uma leve defasagem. Quanto maior
for o valor de pico da senoide em relação à V1 e V2 menor será a defasagem.
7. Experiência AO16 - Comparador de Zero com Histerese
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( a ) |
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( b ) |
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Figura 10: Comparador de zero inversor com histerese ( a ) Multisim ( b ) MicroCap |
7.2. Abra o arquivo Exp16b.CIR identifique o circuito da Figura 11. Execute uma analise transiente com a chave aberta e fechada.
7.3. Para que serve a histerese? Onde é usada na pratica?
7.4. Escreva as suas conclusões baseado nas observações.
8. Comparador de Nível
Em um comparador de nível a tensão de entrada é comparada com um tensão de referencia. Na pratica a tensão de referencia pode estar associada a uma grandeza física como temperatura, nível, luz, etc, e a tensão de entrada é obtida de um sensor que produz uma tensão dependente da variação desta grandeza física. A Figura 11 mostra o circuito e a curva de transferência.


( a )
( b )
Figura 11: Comparador de nível
Exercício: No circuito determinar para que valores de Rv o LED acende.

Solução: O LED acende se a tensão de saída é +12V e para que a saída seja alta V+ > V- onde:
V+=3k.12V/(2k+3k)=7,2V e como V-=Rv.12V/(10k+Rv) logo:
7,2V>Rv.12V/(10k+Rv) resolvendo resulta Rv <15k
8. Experiência AO16_1 - Comparador de Nível
8.1. Abra o arquivo Exp16_1.CIR ou ExpAO17 (Multisim 10.1) e identifique o circuito da Figura 12. Execute uma analise Dynamic DC e determine o valor da saída para Rv>15k e Rv <15k.
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| ( a ) |
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| ( b ) |
Figura 12: Comparador de nível ( a ) Multisim ( b ) MicroCap |
8.2. Suponha que se deseja construir um circuito detetor de luz, que acenda um LED se estiver escuro e que apague o LED se estiver claro. Usando um LDR como sensor de luz, faça o esquema do circuito.
8.3. Escreva as suas conclusões