EN 2602 – Fundamentos de Eletrônica

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1

Prof. Rodrigo Reina Muñoz

rodrigo.munoz@ufabc.edu.br

2o _{Trimestre de 2018}

AULA 05

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Amplificadores Operacionais

CMRR

Configuração inversora

Configuração não inversora

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3

Amplificadores Operacionais - Motivação

3

Formados a partir de amplificadores diferenciais, resultando em:

o ganho elevado

o impedância de entrada alta

o impedância de saída baixa

Principais aplicações:

- Realizar operações matemáticas (integração, diferenciação, soma, multiplicação, amplificação, etc.)

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Amplificadores Operacionais – Entradas/Operação

Possui três modos de entrada:

o entrada inversora

o entrada não inversora

o entrada diferencial, quando as entradas inversora e não inversora são

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5

Amplificadores Operacionais – Parâmetros Importantes

5

o Alimentação (em geral simétrica: +Vcc e -Vcc) → geralmente ~15 V

o Dissipação de potência → tipicamente 50 mW

o Corrente de alimentação → tipicamente 1,7 mA

o Corrente máxima de saída → tipicamente 25 mA

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Amplificadores Operacionais – Modelo

O modelo de 2a _{ordem (CA) do amplificador operacional mostra que o mesmo}

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7

Amplificadores Operacionais – Parâmetros

7

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(9)

9

Amplificadores Operacionais – Encapsulamento

9

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Amplificadores Operacionais – Fabricantes

Diferentes fabricantes e suas dferentes designacoes:

o Farchild (Intel) → µA e µAF

o National Semiconductor → LM, LH, LF e TBA

o Motorola → MC e MFC

o RCA → CA e CD

o Texas Instruments → SN

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11

Amplificadores Operacionais

11

Questão:

Qual é o número de terminais necessários para um Amp-Op simples? Qual é o número mínimo de terminais necessários em um CI encapsulado (DIP)

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Entrada com Terminação Única

Quando o sinal de entrada é conectado a uma entrada do amp-op com a outra entrada conectada ao terra (GND).

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13

Entrada com Terminação Dupla (Diferencial)

Sinal de entrada aplicado a ambas as entradas

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Operação Modo Comum

Amplificadores Operacionais – Configurações das Entradas

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15

Amplificadores Operacionais – Rejeição de Modo Comum

15

CMRR – Common-Mode Rejection Ratio

Numa conexão diferencial:

os sinais que são opostos nas entradas são altamente amplificados

os sinais comuns às entradas são pouco amplificados

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Entradas Comuns:

Quando os sinais de entrada são iguais, o sinal comum às duas entradas pode ser definido como a média aritmética entre os dois sinais.

Tensão de saída:

Operação Diferencial e Modo-Comum

Entradas Diferenciais → entradas separadas aplicadas ao amp-op, o sinal de diferença resultante é:

(17)

17

Exemplo 1: Calcule CMRR para os circuitos abaixo.

(18)

CMRR – Common-Mode Rejection Ratio

(19)

19

Amplificadores Operacionais - Características

19

Outros parâmetros importantes

“Offset”

“Drift” (deriva)

Resposta em Freqüência

CMRR

Ganho

Slew-Rate

Compliance

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AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

a) ganho de tensão diferencial infinito

b) ganho de tensão de modo comum igual a zero

c) tensão de saída nula para tensão de entrada igual a zero

d) impedância de entrada infinita

e) impedância de saída igual a zero

f) faixa de passagem infinita

(21)

21

Observação:

Na maioria dos casos, tem-se A_V0 como o ganho em malha aberta e A como

sendo o ganho em malha fechada.

21

AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Ganho de tensão

Normalmente chamado de ganho de malha aberta, medido em C.C.(ou em frequências muito baixas), é definido como a relação da variação da tensão de saída para uma dada variação da tensão de entrada. Este parâmetro, notado como A ou A_V0, tem seus valores reais da ordem de alguns poucos milhares. Normalmente, A_V0 é o ganho de tensão diferencial em C.C. O ganho de modo comum é outro ganho, muito

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Tensão de "offset"

Devido principalmente a um casamento imperfeito dos dispositivos de entrada, normalmente diferencial, a saída do amplificador operacional pode ser diferente de zero quando ambas entradas estão no potencial zero. Significa dizer que há uma tensão C.C. equivalente, na entrada, chamada de tensão de "offset". O valor da tensão de "offset" nos amplificadores comerciais está situado na faixa de 1 a 100 mV.

(23)

23

Corrente de "offset"

Devido às correntes de base dos transistores bipolares de entrada do amplificador operacional ou ainda correntes de fuga da porta do transistor de efeito de campo em amplificadores dotados de FETs à entrada.

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Faixas de passagem

(25)

25

"Slew Rate“

Ocorrência de onda triangular na saída do Amp-op quando é injetado um sinal senoidal de alta frequência, de amplitude superior a um certo valor prefixado. A inclinação desta forma de onda triangular é o "slew rate”.

Esta limitação tem origem nas características de construção do dispositivo e está diretamente ligado a um elemento, o chamado capacitor de compensação de

fase e à máxima taxa com que este pode ser carregado. Este capacitor, nos

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SR para sinal senoidal

aplicado na entrada

SR para sinal pulsado

(27)

27

"Slew Rate“

Em amplificadores operacionais monolíticos, de uso geral, SR vale alguns Volts por microssegundos. Em amplificadores operacionais construídos pela técnica de C.I.s híbridos, este valor pode ser muito elevado, por exemplo,

SR = 2000 V/µs.

Em resumo, o SR ocorre devido a que existe uma máxima taxa de cambio na saída de um amp-op real. Analiticamente é definido como:

max

(28)

Considere, por exemplo, um amp-op conectado como seguidor de tensão de ganho unitário:

(29)

29

Largura de banda de potência

É a máxima frequência do sinal de saída sem distorção.

Vp

SR

f

_Max

π

2 =

Onde:

SR: “slew rate”

(30)

Exemplo 2:

Para o sinal e circuito da figura abaixo, determine a máxima frequência que pode ser usada, a fim de evitar distorções. O SR do Amp-Op é 0,5V/µs.

Vp SR f_Max

π

2

=

(31)

31

Amplificadores Operacionais - Amplificador

31

A tensão de saída, devido ao amplificador diferencial na entrada do Amp-Op, é independente das tensões e_A e e_B, mas depende da diferença (e_B – e_A).

Exemplo:

(32)

Curva de Transferência

(33)

33

Admitindo que o amplificador operacional tenha propriedades ideais, sua

impedância de entrada é infinita e não há corrente fluindo em suas entradas. Assim, i1 = i2.

1) Amplificador Inversor

Determinando o Ganho de Malha Fechada ( )

e S

(34)

A tensão de saída desta configuração é, por definição:

1) Amplificador Inversor

Amplificadores Operacionais - Amplificador

e S

(35)

35

1) Amplificador Inversor de Tensão

e S

V

A

=

(36)

1) Amplificador Inversor de Tensão

(37)

37

2) Amplificador Não-Inversor













+

−

=

−

=

2 1 2 0 2 1

0

(

)

R

v

A

v

A

v

_S _V _V _e S

2 1 2 0 0 0 2 1 2

1

1 R

R

A

v

A

v

A

R

AvoR

v

V V e S e V S

+

=

⇒

=













+

Ganho Exato

Como A_V0 >>1, tem-se

2 1 2 2 1 2 1 2 0 0

1 R

R

A

R

A

V

=

+

⇒

≅

+

≅

(38)

Exemplo 3:

Determine os ganhos em malha fechada (A) exato e aproximado.

Determine também o valor de V_S.

Dados: R₁ = 98 kΩ; R₂ = 2 kΩ; A_V0 = 105; V_e = 1mV

975 ,

49

2

98

2

10

1

10

5 5

=

+

=

k

A

50

2

98

1 +

=

≅

k

A

%

05 ,

0

100

50

975 ,

49 =

−

=

Diferença

Exato

(39)

39

Exemplo 3 (continuação):

mV

v

_S

=

1 (

49 ,

975 )

=

49 ,

975 ≅

50 V

mV

A

v

V S

ENTRADA

0 ,

5 µ

10

50

5 0

2

1

−

=

Cálculo de v_ENTRADA

Exemplo 4:

Substituir o Amp-Op por outro de ganho 20.000, ou seja com ganho (5 x menor).

E recalcular o ganho em malha fechada.

875 ,

49

2

98

2

10 .

2

1

10 .

2

4 4

=

+

=

k

A

Variação de 0,2%

(40)

Amplificadores Operacionais – Terra Virtual

- Devido ao valor elevado (~ 100.000) do ganho em malha aberta: terra virtual.

Por exemplo, para ter-se uma saída com 10 V, deve-se ter, na entrada, uma diferença v₍₊₎ – v_(-) próxima de 0,0001 V.

- Não pode ser tratado como um curto-circuito entre as entradas do Amp-Op.

(41)

41

Amplificadores Operacionais – Terra Virtual

41

Conceito de curto virtual:

pequeno

muito

2

1

−

→

=

v

_ENTRADA

As tensões v₁ e v₂ em um Amp-Op com realimentação negativa, representam um curto virtual, pois não há diferença de potencial. Mas a corrente é nula (impedância infinita).

virtual

curto

150

10

15

2 1 5 2 1

max

=

−

=

V

⇒

v

≅

v

→

A

v

_ENTRADA S

µ

Exemplo 5:

Determine a diferença (v₁ – v₂) tendo-se um Amp-Op µA741, com A_V0 = 105;

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1) Determine a tensão de saída de um Amp-Op para tensões de entrada de

V_i1 = 150 mV e V_i2 = 140 mV. Considere que este Amp-Op tem um ganho

diferencial de A_d = 4.000 e o valor de CMRR é 100.

2) Qual é a nova tensão de saída caso do CMRR passar para 105_?

(43)

43

3) O Amp-Op TL 074 tem um “slew rate” de 13 V/µs. Qual a largura de banda para uma tensão de pico de 5 V?

4) Qual a maior amplitude de pico do sinal de saída sem distorção

considerando-se o Amp-Op LF353 (SR = 13 V/µs) operando numa freqüência

de 360 kHz.

5) Um Amp-Op apresenta em sua folha de dados uma CMRR de 65 dB. Qual a relação entre os ganhos diferencial e de modo-comum?

6) Em um Amp-Op de CMRR = 90 dB e A_d = 100.000, aplica-se nas entradas

um sinal comum de mesma polaridade com amplitude de 1 V. Qual será a amplitude do sinal de saída?

7) Um Amp-Op tem um ganho de tensão de 500.000. Se a tensão de entrada for 12 µV, qual a tensão de saída?

43

(44)

8) Qual a tensão de entrada de um Amp-Op com tensão de saída de 10 V e um ganho de tensão de 200.000?

9) Qual o maior sinal de saída sem distorção, do Amp-Op 741C operando numa freqüência máxima de 50kHz? Use SR = 0,5 V/µs.

10) Qual é a tensão de saída no circuito da Figura a seguir?

(45)

45

11) Qual é a faixa de ajuste de ganho de tensão no circuito da Figura?

45

12) Calcule a CMRR (em dB) para as medidas feitas no circuito de V_d = 1 mV,

V₀ = 120 mV, e V_C = 1 mV, V₀ = 20 µV.

(46)

13) Calcular o ganho de tensão do circuito abaixo.

(47)

47

15) Projete uma amplificador não inversor com ganho igual a 17.

16) Projete um amplificador inversor com ganho igual a -1.

47

14) Aplicando-se a tensão abaixo na entrada e1, do circuito do slide anterior, qual é o gráfico da tensão de saída es?

(48)

17) Que tensão de entrada produz uma saída de 2 V no circuito da Figura a seguir?

(49)

49

18) Qual é a faixa das tensões de saída no circuito da Figura a seguir se a entrada puder variar de 0,1 V a 0,5 V?

(50)

19) Que tensão de saída resulta do circuito da Figura a seguir para uma entrada V_i = – 0,3?

(51)

51

Segunda Lista de exercícios

Mostrar passo a passo a derivação do resultado do slide 35.