Aula15   Índice    Aula15

Amplificador Operacional    
Aula16:  Características de um AO Real

1. Ganho de Tensão e Largura de Faixa

Na prática o ganho de tensão e a largura de faixa não são infinitos. O ganho de tensão diminui com o aumento da freqüência. A Figura 01 mostra a curva de resposta em freqüência  em malha aberta de um AO  típico.

Figura 01: Curva de resposta em freqüência em malha abertaB

A escala do ganho na Figura 01  pode ser especificada em dB ou simplesmente ser igual à relação entre a saída e a entrada (Vs/Ve), sendo que o ganho em dB é calculado por:

Ganho(dB) = 20.logVs/Ve 

A escala em dB é linear. Do gráfico da Figura 01  podemos ver que o ganho em malha aberta vale 100.000 (100dB), ficando constante até 10Hz. Acima de 10Hz o ganho diminui à taxa de 20dB por década, isto é, o ganho é atenuado de 10 vezes (20dB) cada vez que a freqüência é multiplicada por 10.
Um parâmetro importante de um AO é a freqüência de ganho unitário (fU). Nessa freqüência  o ganho de malha aberta torna-se igual a 1. No gráfico da Figura 01  fU =1MHz.
Outro parâmetro importante é o
  produto   ganhoxlargura de faixa (GxLF).
Para qualquer amplificador é válido:
GxLF = constante, isto é, em um amplificador se o ganho aumentar a  LF(largura de faixa) diminui ou vice-versa.

A LF de um amplificador é definida como sendo:
 

       LF = fCs  -  fCi onde    fCs = frequência de corte superior        fCi = frequência de corte inferior

A Fig2 mostra  uma curva de resposta em freqüência de um amplificador  genérico.
 No caso de um AO como a fCi = 0 (o AO amplifica a partir de tensões CC), a LF = fCS

Obs: em um amplificador com transistores  a fCi é diferente de zero por causa dos capacitores de acoplamento que não existem em um AO.

curva de resposta

Figura 02: Curva de resposta em freqüência genérica

Obs: ACL =AVf= ganho em malha aberta

Para o AO da Fig1  temos:

Em malha aberta:
  LF = 10Hz                                   Ganho = 100.000       
Logo
o produto  GxLF = 100.000.10Hz =106Hz=1MHz =fU

Vamos supor que esse AO é usado em um amplificador de ganho igual a 10. 
A largura de faixa será igual a:
LF = 10
6Hz/10 = 100KHz, isto é, o ganho diminuiu, mas para manter o produto GxLF constante a LF aumentou na mesma proporção. A curva de resposta do amplificador passa a ser como na Figura 03

ganho 10

Figura 03: Curva de resposta em freqüência – amplificador de ganho 10

2 .Slew Rate (Taxa de Inclinação da Tensão de Saída)

Para compreendermos o significado de Slew Rate (SR), consideremos o buffer da Fig4a alimentado pelos pulsos da Fig4b. A tensão de saída teórica e a real  estão indicadas respectivamente nas Figura 4c e Figura 4d.

( a )

( d )

Figura 04: Buffer alimentado com onda quadradas

            O Slew Rate (SL) ou taxa de inclinação é a máxima taxa de variação da tensão de saída com o tempo, isto é:


SR =
DVS/Dt.

Na Fig4 o AO  tem um SR de:   SR = 2V/1ms = 2V/ms  ou

SR = 4V/2ms = 2V/ms isto significa que a tensão de saída não pode variar mais rapidamente do que 2V a cada 1ms, e, portanto se o sinal de entrada for mais rápido do que isso, a saída não responderá distorcendo o sinal na saída.

No caso de saída senoidal, VS = VM.senwt, a inclinação (derivada) em cada ponto é variável sendo dada por:

 dVS/dt = w.VM.coswt     e    tem valor máximo (máxima inclinação)  na origem  (wt = 0)  valendo:

dVS/dtMáx = w.VM

A Figura 05 mostra o comportamento da derivada, inclinação ou slew rate,  de uma senóide,sendo máxima na origem e zero para wt = 90º.

                             Figura 05: Comportamento da derivada da senoide

Observe que,   enquanto o SR do AO for maior do que w.VM não haverá distorção, caso contrário a senoide começa a ficar achatada.

Exercício Resolvido

Um AO tem SR = 2V/ms, qual a máxima freqüência que pode ter um sinal de 10V de amplitude na saída do AO para que não haja distorção por slew rate ?

Solução:

 Para que não  haja distorção    SR >w.VM     2.106V/s > 2.p.fmáx.10V

. f <2.106/20.p = 31847Hz

3.Tensão de Offset de Saída

É a tensão na saída de um AO quando não tem nenhum sinal na entrada. São três as causas da saída ser diferente de zero quando  a entrada é nula.

3.1. Tensão de Offset de Entrada  (Vio) 

A Fig6 mostra, de uma forma simplificada, o circuito de entrada de um AO. É um amplificador diferencial.

           

Figura 06: Amplificador operacional: par diferencial de entrada

Com as duas entradas aterradas, em um AO ideal como os transistores do par diferencial são iguais (VBE1=VBE2   e b1=b2 ) a saída é nula. Na prática como VBE1¹VBE2 e b1¹b2 ) existirá uma tensão entre os coletores que será amplificada aparecendo na saída como um erro .

Definimos como tensão de offset de entrada (Vio) a tensão CC que deve ser aplicada em uma das entradas de forma que a saída seja zero   Vio = VBE1 - VBE2

Tipicamente: Vio =2mV para o 741

Figura 07: Amplificador operacional; tensão de offset de entrada

3.2 -  Corrente de Polarização de Entrada (Ip )

Vamos supor que os transistores  de entrada são iguais (VBE1 = VBE2 , b1 = b, IB1= IB2 ), logo Vio=0 ). Consideremos o amplificador inversor na Fig8a com Ve = 0.  A saída não será nula (não por causa da tensão de offset de entrada),  a causa  é a corrente que polariza   o AO que ao passar pelo resistor (equivalente) colocado entre a entrada inversora e o terra gera uma tensão a qual é amplificada. Colocar entre a entrada não-inversora e o terra um resistor de igual valor (RP= R1//R2), o mesmo será percorrido pela mesma corrente (na suposição de transistores de entrada iguais) gerando a mesma tensão, anulando o efeito da tensão na outra entrada e conseqüentemente anulando a  saída.

                          ( a )                                                                        ( b )

Figura 08: Amplificador operacional -  correntes de polarização

Na prática as duas corrente são diferentes e no manual é especificado o valor médio das duas

IP = (IB1 + IB2)/2. Tipicamente  IP = 80nA.

3.3. Corrente de Offset de Entrada  (Iio)

Ë definida como sendo a diferença entre as duas correntes de entrada, com a saída nula:

Iio = IB1 - IB2

Como vimos a tensão de offset de saída é causada pelo descasamento dos transistores no primeiro par diferencial na entrada de um AO. A correção (ajuste de offset) é importante quando o AO é usado para amplificar tensões CC muito pequenas, em instrumentação principalmente. Em aplicações onde o AO amplifica tensões alternadas o ajuste de offset não é muito importante (um capacitor de acoplamento retira a componente CC do sinal).

A Fig9 mostra três formas de se fazer o ajuste, sendo que a última (Fig9c)  só pode ser usada se o AO tiver  terminais para ajuste de offset.

                      ( a )

( b )

( c )

Figura 9: Circuitos para ajuste de offset  ( a) Inversor ( b ) Não Inversor ( c ) AO 741

4. Curva Característica de Transferência

É o gráfico que relaciona saída (Vs) e entrada (Ve) em qualquer amplificador. No caso de um AO em malha aberta (sem realimentação) Ve=Vi

A Fig10 é uma característica típica de um AO com alimentação de  VCC = ± 12V.

Clique no gráfico para acessar o arquivo MicroCap da curva de Transferência de um AO

Figura 10:  Amplificador operacional -  Característica de transferência

Do gráfico da Fig10 podemos observar que existe uma faixa muito estreita para valores de Vi para os quais  o ganho é constante e o AO tem comportamento linear. Para valores  de Vi compreendidos entre 0,1mV e +0,1mV o ganho é constante e vale:

AV =DVS/DVi =10V/0,1mV = 100.000, isto é, a saída é dada por

Vs = 100.000,Vi

 para  Vi>0,1mV ou Vi< -0,1mV o AO satura com 10V ou -10V.

Exemplo de um AO  Comercial

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, como indicado na Fig11. Clique aqui para acessar o manual

Figura 11: Amplificador operacional 741  Encapsulamentos

1. Ajuste de offset
2. Entrada inversora
3.  Entrada não-inversora
4.
   VCC
5. Ajuste de offset
6. Saída
7.  &ndash; +V
CC
8.  NC (Não Conectado)

LIMITES MÁXIMOS -   741C

Alimentação                                  ±18V

Potência dissipada                         500mW

Temperatura de operação  0ºC a 70ºC  

OUTROS PARÂMETROS

Slew rate                                                  0,5V/ms

Tensão de offset de entrada                       2mV

Corrente de offset de entrada                    20nA

Ganho de tensão de malha aberta  200.000

fu                                                             1MHz

Resistência de saída                                  75W

Resistência de entrada                               1MW 

Exercícios Resolvidos

1.       Qual a máxima freqüência que pode ter o sinal na entrada do circuito para a saída não distorcer por slew rate? Dado: SR = 1V/ms

Ve = 0,5.senwt(V)

    Solução:

 O ganho do circuito é  AVf = -10K/1K = -10 de forma que a amplitude da saída será de  10VP=VM  e para não haver distorção  deveremos ter    SL >w.VM, isto é,  
1.10
6Vs  >  2.p.fMáx.10V     daí tiramos que    fMáx  <  106/2.p = 159.235Hz.

2.  Qual a máxima amplitude da senoide de entrada para a saída não distorcer por slew rate  no circuito?  A freqüência do sinal de entrada é 200KHz. E o slew rate é 5V/ms

Solução:

SR > 2.p.f.VM       SR = 5.106V/s    f = 200.103Hz     VSmáx = VM = ?

VM < 5.106/6,28.200.103 @ 4V   como o ganho do circuito vale AVf =1 + 2K2/1K=3,2  e como  Ve = VS/AVf   então                      VeMáx = VSmÁX/3,2 = 4/3,2 =1,25V

5. Parte Experimental

5.1. Abra o arquivo  curva de resposta em frequencia.CIRou ExpAO27 (Multisim 10.1)  identificando o circuito da figura 12 e para cada frequencia da tabela I determine o ganho (Vs/Ve) o ganho em dB (20.log(Vs/Ve)). Ate partir dos dados da tabela I levante o gráfico do ganho  em função da freqüência determinando a freqüência de corte (fc). Use papel monolog.

Obs: A amplitude do sinal de entrada deve ser mantida constante, e a saída não pode ter a amplitude distorcida, portanto escolha um valor de ve adequado, por exemplo ve=0,1Vp.

( a )
( b )
Figura 12: Amplificador Inversor - Determinando o produto GanhoxLF ( a ) Multisim ( b ) MicroCap

                   Tabela I: Amplificador Inversor - Curva de resposta em frequencia

f(Hz) 100 500 1K 2K 5K 10K 15K 20K 30K 40K 60K 80K 100K
Vs                          
Ganho(Vs/Ve)                          
Ganho (20.log(Vs/Ve))                          

5.2. A partir dos dados da tabela e do grafico determine a LF do circuito e o produto GxLF.

Lf=_______     GxLF=________

5.3. Repita os itens 5.1 e 5.2 para R2=100k

5.4. Escreva as suas conclusões e compare o valor obtido do GxLF em 5.2 com o valor do 741 obtido de manual.

5.5. Abra o  arquivo Slew Rate (MicroCap) ou ExpAO28 (Multisim 10.1)  identifique o  circuito da figura 13 .

5.6.  Escolha um AO 741A com SR=0,7V/us (SRN=700k SRP=700k). Execute uma analise transiente e meça a inclinação ( ΔVs/ Δt)  e compare com o valor especificado (SRP=SRN).

SR=  ΔVs/ Δt  =__________(V/s ou V/μs)

5.7. Troque o AO por um com Slew Rate maior, por exemplo  OP_15A   .Execute uma analise transiente e anote as formas de onda e meça a inclinação ( ΔVs/ Δt). Para o multisim escolha o OP162GS  ExpAO29 (Multisim 10.1) e repita o mesmo procedimento (sinal de entrada de 20kHz e 2Vp/Onda quadrada)

SR=  ΔVs/ Δt  =__________(V/s ou V/μs)

Obs: para parar a forma de onda clique em Sing. e em seguida desligue a simulação.

 

( a )

( b )

Figura 13:  Medindo o Slew Rate  ( a ) Multisim ( b ) MicroCap

 

 

5.8. Escreva as suas conclusões.

5.9. Abra o arquivo erros de offset 1, ou ExpAO30 (Multisim 10.1)  identificando o circuito da figura 14. Meça a saida para a chave na posição A (Ventr=0,05V)  e posição B(Ventr=0).

Posição A:     Vsaida =_________                  Posição B:     Vsaida =_________=Voffset

 

( a )

( b )

Figura 14:  medindo a tensão de offset de saida

5.10. Escreva as suas conclusões

5.11. Abra o arquivo erros de offset 2   ou ExpAO31 (Multisim 10.1)   identificando o circuito da figura 15. Repita o item 5.9 considerando a resistência Rp=10k na entrada não inversora.

( a )

( b )

Figura 15:  Diminuindo a tensão de offset de saida ( a ) Multisim ( b ) MicroCap

 


 

Posição A:     Vsaida =_________                  Posição B:     Vsaida =_________Voffset

  5.11.  Escreva as suas conclusões

5.12.  Abra o arquivo erros de offset 3  ou ExpAO32 (Multisim 10.1)  identificando o circuito da figura 16. Ajuste o potenciômetro de 47k (mude a porcentagem) até zerar a saída (ou obter o menor valor). Anote o menor valor.

 

Vsaida(minima)=__________

 

( a )

( b )

Figura 16: Anulando a tensão de offset de saida ( a ) Multisim ( b ) MicroCap


 

 

5.11. Escreva as suas conclusões.


 Aula15   Índice    Aula15