Este circuito consiste do amplificador operacional tal como o conhecemos até agora. Este é o tipo mais comum de amplificador e com o maior número de aplicações. A equação 4.1 descreve o amplificador enquanto que seu símbolo é apresentado na Figura 4.1.
V0=A v−v− ( 4.1 )
Figura 4.1: Símbolo do amplificador operacional típico.
A Tabela 4.1 mostra uma lista de 8 amplificadores operacionais e suas principais características DC e AC, todas elas já estudadas anteriormente.
Tabela 4.1: Principais características de alguns operacionais
LM 741 LF 351 LM 308 CA 3140 LM 318 LF 357 OP 43G OP 77G Unid. VOS 2 5 2 5 4 3 0,5 0,020 mV ∆VOS 15 10 6 8 x 5 7,5 0,7 µV/°C IB 80 0,050 1,5 0,010 150 0,030 0,0035 1,2 nA
741 351 308 3140 318 357 43G 77G
CMR 90 100 100 90 100 100 110 140 dB
PSR 96 100 96 80 80 100 100 120 dB
GBW 1 4 ~1-3 4,5 15 20 2,4 0,6 MHz
SR 0,5 13 ~0,5 9 70 50 6 0,3 V/µs
Fabrica National National National RCA National National PMI PMI
Obs.: Uso geral Entrada
JFET Comp. Externa Entrada Mosfet Comp. Externa/ Interna Entrada JFET Entrada JFET Precisão
Onde: VOS é a tensão de offset; IOS é acorrente de offset; PSR é a rejeição a variações na tensão de alimentação; ∆VOS é o drift de VOS; GBW é o produto ganho largura de faixa; IB é a corrente de polarização; CMR é a rejeição de modo comum; SR é o slew-rate;
4.2 Amplificador operacional de transcondutância (OTA)
Este amplificador é muito comum em microeletrônica mas existem poucos integrados discretos disponibilizando funções de OTA. Como o próprio nome sugere este amplificador transforma a diferença entre as tensões de entrada em uma corrente de saída. Isto confere características bastante interessantes a este operacional que, por exemplo, pode ter sua saída ligada a saída de outro operacional do mesmo tipo sem problema de curto circuito.
Em microeletrônica o OTA é utilizado para produzir filtros e acionar cargas capacitivas. Os modelos discretos apresentam uma terceira entrada, chamada de corrente de polarização, capaz de ajustar o ganho do amplificador. A função der transferência deste operacional é dado pela equação 4.2, alguns de seus símbolos são apresentados na Figura 4.2 e o circuito interno do CA3080 é
onde Ag ou gm é o ganho do OTA, K é uma constante que depende do modelo e IB é a corrente de polarização).
Figura 4.2: Símbolo do amplificador de transcondutância (OTA).
Figura 4.3: Circuito interno do CA3080.
As principais aplicações para este tipo de amplificador são o controle automático de ganho, os multiplicadores e divisores de tensão, circuitos moduladores e filtros. Apesar disto este tipo de amplificador pode ser utilizado em praticamente todos os casos onde um operacional comum também é utilizado. Isto, entretanto, não consiste em nenhuma vantagem pois as características do OTA não o auxiliam nestas tarefas mais comuns. Como exemplos de OTAs podemos citar o clássico CA3080, o LM13700 e o mais recente o CA3280.
Os OTAs práticos, inclusive os listados, sofrem limitações e problemas de polarização que dificultam seu uso, sendo importante a inclusão de componentes que teoricamente não seriam necessários. Os fabricantes explicam quais cuidados devem ser tomados com cada circuito. Normalmente os problemas dizem respeito a não linearidades do par diferencial de entrada. Como
componentes. Uma coletânea de circuitos de filtros utilizando OTAs foi publicada no artigo Active Filter Design Using OTA: A Tutorial.
4.3 Amplificador Norton
O amplificador Norton é um tipo especial de operacional que ao invés de amplificar a diferença entre duas tensões de entrada ele amplifica a diferença entre duas correntes de entrada. A saída entretanto continua sendo um sinal de tensão. Sua função de transferência é dada pela equação 4.4, seu símbolo pode ser visto na Figura 4.4 e o circuito interno do LM3900 pode ser visto na Figura 4.5.
V0=Ai−i− ( 4.4 )
Como exemplos de circuitos integrados destes componentes podemos citar o LM2900, o
LM3900 e o LM359. Os amplificadores tipo Norton apresentam limitações práticas, principalmente no que diz respeito aos valores de corrente de entrada. Os fabricantes explicam quais cuidados devem ser tomados com cada circuito. Dentre as aplicações para estes componentes estão os filtros ativos, os geradores de funções, amplificadores para fotodiodos...
4.4 Amplificador chopper
Este tipo de amplificador foi desenvolvido a muito tempo (no fim dos anos 40, início dos anos 50), e antes de ser um tipo de amplificador ele é uma técnica de amplificação cujo objetivo é minimizar características indesejáveis de CC. O amplificador chopper utiliza técnicas de CA para desacoplar as baixas frequências devido a VOS e IB. A melhora mais notável se dá no drift com a temperatura de VOS e IOS. O amplificador chopper pode introduzir um fator de redução de 50 vezes nestes drift. A Figura 4.6 mostra um esquema simplificado de um amplificador chopper.
Figura 4.6: Diagrama esquemático de um amplificador chopper.
quadrada o sinal de entrada é copiado em torno dos harmônicos impares da portadora. Após a chave, na entrada do amplificador (Vy) são somados ao sinal amostrado todos os ruídos e offsets que serão amplificados. Após a segunda chave o sinal está sincronamente demodulado (Vo) e retorna ao seu espectro original com copias em torno dos harmônicos pares da portadora. Os offsets são removidos pelo capacitor de saída. O espectro do ruído, por outro lado, será copiado em torno dos harmônicos impares da portadora. Agora, um filtro passa baixas reconstrói o sinal original na saída do amplificador chopper (Vout), filtrado todas as cópias espectrais de frequência elevadas.
Como este é um sistema amostrado o sinal de entrada (Vin) deve ter frequência bem menor que a de chaveamento. Esta, por sua vez, é da ordem de centenas a milhares de Hz na maioria dos sistemas.
Como exemplo de amplificador chopper estabilizado podemos citar o LTC1052 com VOS < 5µV e drift de 50nV/oC. Observe que os valores de offset e drift são tão baixos que podem ser necessários cuidados especiais na montagem do circuito. O efeito termopar causado por contatos de metais diferentes pode produzir variações de tensão da ordem de 200nV/oC, quatro vezes mais que drift do LTC1052. Assim, é interessante minimizar o numero de chaves, soquetes, conectores e outros potenciais contatos problemáticos. Eletrostática e campos eletromagnéticos também podem ser fontes de problemas. O uso de transformadores, por exemplo, podem gerar alguns micro volts de tensão em trilhas de circuito impresso.
Os amplificadores chopper, na forma como apresentado, estão em desuso e sua produção tem sido descontinuada. Novos amplificadores chamados de auto zero (CAZ ou AZA) ou chopper estabilizados estão em produção. Diferente do chopper tradicional os sinais são amplificados por um canal CC, e um circuito adicional com chaveamento (chopper) é usado para remover offset e reduzir drifts. Estas características estendem a faixa de frequência do amplificador. Exemplos de modernos amplificadores de auto zero são o AD8571, TLC2654, OPA333. Para saber mais sobre estes amplificadores leia To Chop or Auto-Zero: That Is the Question, da Analog Devices ou Auto-