O amplificador operacional recebeu este nome porque foi projetado inicialmente para realizar operações matemáticas utilizando a tensão como uma analogia de outra quantidade. Esta é a base dos computadores analógicos onde os op amps eram utilizados para realizar as operações matemáticas básicas (adição, subtração, integração, diferenciação, e outras). Neste sentido, um verdadeiro amplificador operacional é um elemento do circuito ideal. Os amplificadores reais utilizados, feitos de transistores, válvulas, ou outros componentes amplificadores, são aproximações deste modelo ideal.
Os op amps foram desenvolvidos na era das válvulas termoiônicas, onde eles eram usados em computadores analógicos. Os op amps modernos são normalmente construídos em circuitos integrados, apesar de ocasionalmente serem feitos com transistores discretos, e geralmente possuem parâmetros uniformes com encapsulamentos e necessidades de alimentações padronizadas, possuindo muitos usos na eletrônica.
A maioria dos op amps simples, duplos ou quádruplos disponíveis possuem uma pinagem padronizada que permite que um tipo seja substituído por outro sem mudanças na pinagem. Um op amp específico pode ser escolhido pelo seu ganho em malha aberta, largura de banda, nível de ruído, impedância de entrada, consumo da potência, ou uma combinação de alguns destes fatores.
Historicamente, o primeiro op amp integrado a tornar-se largamente disponível foi o Fairchild UA-709, no final dos anos 60, porém isto foi rapidamente modificado pela performance superior do LM741, que é mais fácil de utilizar, e provavelmente o mais conhecido da eletrônica - todos os principais fabricantes produzem uma versão deste chip clássico. O LM741 possuí transistores bipolares, e segundo os padrões modernos possui uma performance considerada média.
Projetos melhorados baseados no transistor FET surgiram no final dos anos 70, e as versões com MOSFET no início dos anos 1980s. Há ainda os chamados op amps Bi-FET, que combinam transistores bipolares e MOSFETs, e que aproveitam as melhores características de ambos. Bi-FETs típicos são os LF411 e LF351 da NATIONAL, assim como CA3130 e CA3140 da RCA.
O AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL
O amplificador operacional ideal tem um ganho infinito em malha aberta, largura de banda infinita, impedância de entrada infinita, impedância de saída nula e nenhum ruído, assim como offset de entrada é zero (exatamente 0 V na saída quando as duas entradas forem exatamente iguais) e nenhuma interferência térmica. Os circuitos integrados de op amps utilizando MOSFETs são os que mais se aproximam destes valores ideais em limites de largura de banda.
O amplificador operacional é provavelmente o dispositivo único mais bem sucedido na área de circuitos eletrônicos analógicos. Com apenas alguns poucos componentes externos, ele pode ser ajustado de modo a fazer uma grande variedade de funções em processamento de sinal. Também possui um preço relativamente baixo.
USO NO PROJETO DE SISTEMAS ELETRÔNICOS:
A possibilidade de usar os modelos em blocos dos amplificadores operacionais durante o projeto de circuitos faz com que circuitos complicados se tornem mais simples para se trabalhar e compreender, especialmente em esquemas muito grandes. Os op amps podem ser usados como se tivessem propriedades idealizadas (ganho infinito, dissipação de calor perfeita, resposta de freqüência estável, impedância de entrada infinita, impedância de saída nula, e outras respostas ideais).
Após o projeto inicial de o circuito ter sido concluído (e muitas vezes modelado em computador), op amps específicos são escolhidos de modo a ser o mais próximo possível dos critérios de projeto e de custo. Pode ocorrer que um op amp com todos os parâmetros desejados não possa ser encontrado e então se procura o amplificador operacional que mais se aproxime da sua função pretendida no seu sub-circuito.
O circuito projetado provavelmente precisará de modificações para aceitar as qualidades dos amplificadores operacionais reais. O mesmo é feito para praticamente todas as partes eletrônicas durante do desenvolvimento do projeto (onde estas também são utilizadas como perfeitas), isto deve ser feito de modo a fazer com que os componentes reais ajam os mais próximos possíveis dos componentes ideais. Este processo de desenvolver os circuitos com partes ideais e então ajustá-las de acordo com suas versões reais e comumente verdadeiro em todos os componentes eletrônicos incluindo condensadores, indutores, resistências, transistores, diodos, etc.
Após as modificações necessárias, o resultado é um circuito final utilizando op amps ideais. O objetivo do projeto é que qualquer erro ou discrepância restante seja insignificante na prática.
COMPORTAMENTO EM CORRENTE CONTÍNUA:
O ganho em malha aberta é definido como a amplificação da entrada para a saída sem nenhuma realimentação (feed- back) aplicada. Para a maioria dos cálculos práticos, o ganho em malha aberta é definido como infinito; na realidade, entretanto, ele é limitado pela quantidade de tensão aplicada à alimentação do amplificador operacional, (terminais Vs+ e Vs- no diagrama acima). Os dispositivos típicos possuem um ganho de malha aberta em Corrente Contínua entre 100,000 e 1 milhão. Isto permite que o ganho da aplicação seja ajustado utilizando a realimentação negativa. Os op amps possuem limites de performance que o projetista deve manter em mente e muitas vezes trabalhar em torno disto.
COMPORTAMENTO EM CORRENTE ALTERNADA:
O ganho do op amp calculado em DC não se aplica a corrente alternada a freqüências mais altas. Isto ocorre devido às limitações do componente, tais como sua largura de banda finita, e às características em AC do circuito aonde é colocada. O problema mais bem conhecido no desenvolvimento de projetos com op amps é a tendência de estes ressonarem a Altas freqüências, aonde mudanças na realimentação negativa mudam para realimentação positiva devido à mudança de fase.
Os op amps típicos, de baixo custo possuem uma largura de banda de alguns MHz. Op amps específicos e de alta velocidade podem atingir uma largura de banda de centenas de MHz. Para circuitos de freqüência muito alta, um tipo completamente diferente de op amp, chamado amplificador operacional de realimentação de corrente é frequentemente usado.
NOTAÇÃO:
Um símbolo elétrico para o amplificador operacional é mostrado abaixo:
Os seus terminais são:
V+: entrada não-inversora V−: entrada inversora Vout: saída
+VDC: alimentação positiva −VDC: alimentação negativa
Os pinos de alimentação (VS+ e VS−) podem ser nomeados de diferentes formas. Ver pinos de alimentação dos CIs. Para op amps baseados em tecnologia FET, o positivo, ou alimentação de dreno comum é chamada de VDD e o negativo, ou alimentação de fonte comum é chamado de VSS. Para op amps baseados em TBJ (BJT), o pino VS+ torna-se VCC e o pino VS− torna-se VEE. Eles são muitas vezes chamados VCC+ e VCC−, ou mesmo V+ e V−, no caso de as entradas serem nomeadas diferentemente, a função permanecerá a mesma. Muitas vezes estes pinos são retirados dos esquemas elétricos para uma maior claridade, e a configuração de alimentação é dada ou previsível através do circuito.
A posição dos pinos de polaridade pode ser invertida em diagramas para uma maior claridade. Neste caso, os pinos de alimentação continuam nas mesmas posições: o pino de alimentação mais positivo é sempre no topo, e o pino de alimentação mais negativo na parte inferior. O símbolo inteiro não é invertido, apenas as suas entradas de alimentação.