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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 (f_U). Nessa freqüência  o ganho de malha aberta torna-se igual a 1. No gráfico da Figura 01  f_U =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 = f_Cs  -  f_Ci onde    f_Cs = frequência de corte superior        f_Ci = frequência de corte inferior

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

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

Figura 02: Curva de resposta em freqüência genérica

Obs: A_CL =A_Vf= 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 =f_U

Vamos supor que esse AO é usado em um amplificador de ganho igual a 10. 
A largura de faixa será igual a:
LF = 10⁶Hz/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

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.

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 =DV_S/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, V_S = V_M.senwt, a inclinação (derivada) em cada ponto é variável sendo dada por:

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

dV_S/dt_Máx = w.V_M

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.V_M 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.V_M     2.10⁶V/s > 2.p.f_máx.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  (V_io) 

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 (V_io) a tensão CC que deve ser aplicada em uma das entradas de forma que a saída seja zero   V_io = V_BE1 - V_BE2

Tipicamente: V_io =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 (V_BE1 = V_BE2 , b₁ = b, I_B1= I_B2 ), logo V_io=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 (R_P= 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

I_P = (I_B1 + I_B2)/2. Tipicamente  I_P = 80nA.

3.3. Corrente de Offset de Entrada  (I_io)

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

I_io = I_B1 - I_B2

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.

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=V_i

A Fig10 é uma característica típica de um AO com alimentação de  V_CC = ± 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 V_i para os quais  o ganho é constante e o AO tem comportamento linear. Para valores  de V_i compreendidos entre 0,1mV e +0,1mV o ganho é constante e vale:

A_V =DV_S/DV_i =10V/0,1mV = 100.000, isto é, a saída é dada por

Vs = 100.000,Vi

 para  V_i>0,1mV ou V_i< -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.    V_CC
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

f_u                                                             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  A_Vf = -10K/1K = -10 de forma que a amplitude da saída será de  10V_P=V_M  e para não haver distorção  deveremos ter    SL >w.V_M, isto é,  
1.10⁶Vs  >  2.p.f_Máx.10V     daí tiramos que    f_Máx  <  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.V_M       SR = 5.10⁶V/s    f = 200.10³Hz     V_Smáx = V_M = ?

V_M < 5.10⁶/6,28.200.10³ @ 4V   como o ganho do circuito vale A_Vf =1 + 2K2/1K=3,2  e como  V_e = V_S/A_Vf   então                      V_eMáx = V_SmÁX/3,2 = 4/3,2 =1,25V

5. Parte Experimental

5.1. Abra o arquivo  curva de resposta em frequencia.CIR , ou 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

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.

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 =_________=V_offset

( 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 =_________V_offset

  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.

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