5 AMPLIFICADORES. Experiência 1: Amplificador Não Inversor. Ri Ri + Rf. Vio A R. Rout = = B.

(1)

5

A

MPLIFICADORES

Nesta experiência analisaremos os amplificadores escalares, circuitos line-ares que modificam apenas a amplitude do sinal.

Todos os amplificadores, não inver-sor, inversor e diferencial, e outros que derivam destes, buffer e somador, con-tém apenas resistores no circuito de re-alimentação.

Algumas características do desem-penho destes amplificadores são co-muns a todos e dependem da taxa de realimentação B=e-/Vo.

B

Ri

Rf

=

+

AB)

(1

r

Rout

B

Vio

Vos

o

+

=

BW = B GBP. Lista de Material Semicondutores 2...741C 2...1N914 ou 1N4148 1...1N758A (Zener 10V; 400mW) Resistores 1/4W, 5% 1....470, 1k, 2k, 20k, 200k, 2...1M 4...10k 4...100k

Capacitor de poliester metalizado 1...100nF

Potenciômetro ou trimpot 1...10k

1...4,7k

Experiência 1:

Amplificador Não Inversor.

No amplificador não inversor o sinal de excitação é aplicado na entrada não inversora do amp op. Isto significa que o sinal de saída tem a mesma polarida-de que o sinal polarida-de entrada.

As principais características deste amplificador são:

• Alta resistência de entrada.

• Baixa resistência de saída.

• Ganho de tensão igual ou maior que 1. Formulário icm i in i f i o v

r

AB

R

V

A

.

2 //

).

1 (

1 +

=

+

=

Diagrama Esquemático Rf=10k Ri=10k 10k 2k -+

Figura 1: Amplificador Não Inversor Etapa 1- Ajustes iniciais

Todos comandos do osciloscópio na posição calibrado.

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• CH1=50mV/DIV-DC, POS. CENTRAL. • CH2=50mV/DIV-DC, POS. CENTRAL. • TIME BASE=: 1ms/DIV.

• TRIGGER=: CH1, NORMAL, SLOPE+; LEVEL "0".

• Gerador de funções: Seno, 100mVpp, 250Hz.

Ao ajustar o gerador de funções, através do CH1 do osciloscópio; obser-varemos 2 ciclos e meio e a amplitude ocupando 2 DIV pico a pico como mos-tra a Figura 2.

Etapa 2- Inicie a montagem com

R_L=2k, R_i=10k, R_f=10k. e Rb=10k.

Observando o sinal de saída através de CH2, a amplitude deste sinal será o dobro do sinal de saída.

Trig -50 mV CH1

50mV 50mV 1ms SAVE

Figura 2- Oscilograma do Amplificador Não Inversor

Tabela 1: Amplificador Não Inversor Ri=10kΩΩΩΩ Vi=100mVpp teórico medido Rf Vopp Av BW Vopp Av BW 10k 0.2 2 500 20k 0.3 3 333 100k 1.1 11 90.9 200k 2.1 21 47.6 1M 10.1 101 9.90 Ω Ω Ω Ω Vpp - kHz Vpp - kHz

Experiência 2:

Buffer

Um caso particular do amplificador não inversor é o amplificador de ganho unitário, conhecido como BUFFER. Consiste em fazer Rf=0Ω e Ri=∞, re-sultando em Av=(1+Rf/Ri)=1.

A grande utilidade deste amplificador de ganho unitário, é fazer o casamento de impedância. Diagrama esquemático 1M 2k -+ S Figura 3- Buffer

Etapa 1- Montar o circuito da Figura

3 com a chave S fechada.

Etapa 2- ajustes

• Gerador de funções:

SENO, 8Vpico a pico, 250Hz

• Osciloscópio:

CH1=1V/DIV;DC; POS CENTRAL CH2=1V/DIV;DC; POS CENTRAL BASE DE TEMPO = 1ms/DIV

Etapa 3- Resistência de entrada

O sinal de saída deve ser igual ao si-nal de entrada e deve ocupar toda tela (8V. pico a pico).

Abrindo a chave S, a tensão de saída pico a pico deveria diminuir devido à queda de tensão em Rs. Quanto menor for a resistência de entrada do circuito, maior será a queda de tensão e,

(3)

conse-saída. Podemos calcular a resistência de entrada medindo as tensões de en-trada e de saída do buffer.

Rin

Rs

Vipp

Vopp

=

−

1 .

Provavelmente estaremos observan-do nenhuma atenuação, ou seja, Vopp≅ Vipp. Isto significa que Rin>>Rs, ou Rin

>>1MΩ. Em um ensaio mais aprimorado encontramos Rin≅80MΩ.

Infelizmente, esta elevadíssima re-sistência de entrada não pode ser apro-veitada plenamente devido ao off set provocado por Ib+ ao circular através de Rs. Você deve ter notado que a ten-são de saída, observada através de CH2, está deslocada para baixo. Você perceberá este deslocamento fechando e abrindo a chave S.

Etapa 4- Mudar CH2 para e+ do amp

op.

O sinal observado por CH2 caiu pela metade, aproximadamente 4Vpico a pico. Se aplicarmos a Equação de Rin acima, acharemos Rin=1MΩ. Este valor corresponde ao valor da resistência de entrada do osciloscópio e não do buffer. (Se estivéssemos utilizando ponta de prova atenuadora x10 encontraremos Rin=10MΩ).

Esta experiência mostrou que em cir-cuitos de alta impedância é necessário o emprego de um buffer uma vez que a resistência de entrada do osciloscópio, ou multímetro, pode alterar o compor-tamento do circuito;

Experiência 3

Amplificador Inversor.

Utilizando os mesmos componentes e o mesmo circuito do amplificador não inversor, construiremos o amplificador inversor. conforme o diagrama esque-mático da Figura 4. A diferença está no terminal onde o sinal de excitação será aplicado. O sinal de entrada será apli-cado na entrada inversora através de Ri. Rf=10k Ri=10k 10k 2k -+

Figura- 4- Amplificador Inversor

As principais características do am-plificador inversor são:

• Inversão de polaridade.

• Resistência de entrada definida por um resistor.

• Amp op trabalha sem tensão de modo comum (e-=e+=0).

• Possibilidade de instalar diodos Ze-ner para limitar sinal de saída.

• Ganho de tensão pode ser ajustado desde ZERO. i in i f i o v R R R R V V A = − = =

A precisão deste amplificador será de

±10%, uma vez que utilizamos resisto-res de ±5%. No pior caso teríamos Rf+5% e Ri-5%, ou Rf-5% e Ri+5%, re-sultando

(4)

Av

Rf

Ri

= −









0 95

1 05

,

a

1,05

0,95

(

)

Av

Rf

Ri

Av

Av nominal

= −

=

±

0 904

a

1,105

10%

,

(

)

Etapa 1- Inicie a montagem com

Ri=Rf=Rb=10kΩ e complete a tabela 5.2.

Trig -45 mV CH1

50mV 50mV 1ms SAVE

Figura 4- Formas de Onda no Amplificador Inversor.

Tabela 5-2: Amplificador Inversor

Ri=10kΩΩΩΩ Vi=100mVpp teórico medido Rf Vopp Av BW Vopp Av BW 10k 0,1 -1 500k 20k 0,2 -2 333k 100k 1,0 -10 90,9k 200k 2.0 -20 47,6k 1M 10 -100 9,9k Ω Ω Ω Ω V -- Hz V -- Hz

A largura de banda não é um valor muito preciso porque depende do GBP do amp op.

Experiência 4

Somador.

O amplificador somador inversor é um amplificador de múltiplas entradas onde cada entrada (n) possui ganho de tensão Av(n) e resistência de entrada Rin(n)

A

_V(n)

= −

R

f i n( )

R

_{in n}_{( )}

=

R

_{i n}_{( )}

off set =

V

B

io dc Σ

BW

B

GBP

B

A

ac dc v n

=

+

∑

Σ Σ

.

( )

1

OBS: Quanto maior for o número de entradas "utilizadas" maior será o erro dc (off set) e menor será a resposta em freqüência (BW). Devemos distinguir B_Σ dc e BΣac

Para demonstrar a grande utilidade do amplificador de múltiplas entradas, necessitaremos de dois geradores de funções. Mas como isso é difícil, cria-remos o nosso próprio gerador de onda quadrada.

O amp op A1, é um multivibrador que gera onda quadrada com amplitude igual a Vsat.

O amplificador somador A2, possui duas entradas (poderia ter mais). Na entrada de 30kΩ, que apresenta ganho -Rf/Ri1=-1/3, será aplicada a onda qua-drada. A outra entrada, de 10kΩ que possui ganho unitário, será aplicada uma onda triangular de 250Hz e 5Vpp.

(5)

100k 10k 20k R nR 100nF -+ 2k Rf=10k Ri1=10k -+ Ri2=30k A1 A2

Figura 5- Amplificador Somador Etapa 1- Ajustes

• Osciloscópio:

CH1=5V/DIV; DC; POS.SUPERIOR CH2=5V/DIV; DC; POS INFERIOR BASE DE TEMPO= 2mS/DIV. MODO=CHOPPER.

TRIGGER=CH2, AUTO, SLOPE+,

• Gerador de funções: (GF) TRIANGULAR; 5Vpp; 250Hz.

Etapa 2- Variar um pouco a

freqüên-cia do gerador de funções de forma a sincronizar com a onda quadrada.

Trig -6.5 V CH2

5V 5V 2ms SAVE

Figura 6- Sinal de Saída do Somador.

Se diminuirmos o sinal do GF, obser-varemos apenas a onda quadrada com amplitude de 5Vp. Aumentando gradati-vamente a onda triangular do GF, ela aparecerá na saída do somador sobre-posta à onda retangular.

Etapa 3- Diminuir a freqüência do GF

para menos que 1Hz. A onda quadrada é deslocada para cima e para baixo. O somador pode ser utilizado para ajustar o nível dc de um sinal.

Este circuito é muito utilizado nos sistemas de controle industrial para detecção de erro. Em uma das entradas é aplicado o sinal de Referência para ser "comparado" com o sinal de reali-mentação (Feed back) aplicado na ou-tra enou-trada.

Outra aplicação deste circuito é o misturador de áudio usado em karaoke.

Experiência 5

Amplificador Diferencial

O amplificador diferencial é muito útil para medir (ou amplificar) sinais flutu-antes, principalmente em circuitos tipo ponte. Ele pode ser utilizado também como amplificador inversor e como não inversor. Formulário

R

m R

i f

=

1 2

.

(6)

i in o v

R

m

V

A

=

−

=

)

(

₂ ₁

Este amplificador diferencial pode medir tensão em qualquer parte do cir-cuito desde que a tensão diferencial não ultrapasse 100mV. Acima deste valor o amp op poderá saturar.

Diagrama esquemático -+ R=10k R=10k mR=1M mR=1M V₁ V₂ V o +15V Z=10V 470 R*=10k R*=10k K.R*=100k P1=10k V2 V1

Figura 7- Amplificador Diferencial

O circuito apresentado na Figura 7 foi projetado para medir apenas a diferen-ça de temperatura entre os dois senso-res D1 e D2.

Para corrente de polarização de 1mA, a queda de tensão no diodo é 600mV e varia com a temperatura na taxa de 2mV/ºC. Como o amplificador

diferenci-a sensibiliddiferenci-ade deste sistemdiferenci-a será 200mV/°C.

O sistema de balanceamento da ponte, potenciômetro P1 em conjunto com o resistor KR*, é utilizado para o ajuste de zero.

Etapa 1

• Ajuste P1 até zerar a tensão de saída

• Aqueça D1, com o dedo por exemplo, e mantenha D2 na temperatura am-biente.

Como a queda de tensão no diodo diminui com o aumento da temperatura, V1 diminuirá. Consequentemente (V2-V1) será positivo. A tensão de saída será positiva e devera variar entre 1 e 2V, o que corresponde uma diferença de temperatura entre o dedo e o ambi-ente de 5 a 10ºC.

Etapa 2

• Aqueça D2 e mantenha D1 na tempe-ratura ambiente.

A tensão de saída será negativa uma vez que V2 ficará menor que V1. Como o diodo é do mesmo tipo, a tensão de saída deverá variar entre 1 e 2V como na etapa anterior.

Podemos inverter a polaridade da tensão de saída simplesmente inver-tendo as entradas V1 e V2 do amplifi-cador diferencial.

(7)

Experiência 6

Amplificador de Ganho Ajustável

Sabemos que o ganho dos amplifica-dores depende apenas da relação entre duas resistências.

Para construir um amplificador de ganho ajustável bastaria substituir uma das resistências por potenciômetro.

Esta solução no entanto, nos obriga-ria manter potenciômetros de vários valores em estoque para atender cada projeto, contrariando a tendência atual de padronização e minimização do es-toques (em outras palavras, evitar di-nheiro parado).

A solução que será apresentada em seguida é adotada pela maioria dos fa-bricantes de equipamentos e, curiosa-mente, pouco mencionado nos livros di-dáticos. Para maiores detalhes consulte

“Ajuste de Span e Zero”.

Para demonstrar a grande utilidade do método utilizado, construiremos três amplificadores diferentes com faixa de ajuste do ganho numa relação de 10:1: a) 0,1...1; b) 1...10 e c) 10...100. A re-sistência de entrada foi definida como 10kΩ. Rf Ri Rb 2k -+ 0 10

Figura 8- Método convencional

O método convencional nos obrigaria a utilizar três valores de potenciômetro

no lugar de Rf: a) 10kΩ b) 100kΩ e c).1MΩ.

O método padrão utiliza um poten-ciômetro de 4,7kΩ em série com um re-sistor de 470Ω instalado na saída do amp op, proporcionando uma faixa de ajuste de 11:1.

A faixa de ganho é determinado ape-nas pelo resistor de realimentação Rf: a) 1,0kΩ b) 10kΩ e c) 100kΩ. -+ Ri=10k Rf=1k Rb=10k V₁ _V o Rp=4k7 Ro=470 0 10

Figura 9- Método padrão de ajuste

Com este método precisaremos ter em estoque apenas resistores, muito mais fácil e barato do que manter po-tenciômetros. Além desta grande van-tagem, evitamos a utilização de valores altos de resistência. Valores altos de resistência são mais susceptíveis à ruí-dos e interferências.

Etapa 1

• Montar o circuito conforme o diagra-ma esquemático da Figura 9 com Rf=1,0kΩ.

• Ajustar o gerador de funções em tri-angular ou senoidal, 100Hz, 1V de pico (2Vpp).

• Ajustar o potenciômetro na posição “10” e medir o ganho máximo desta faixa.

(8)

• Ajustar o potenciômetro na posição “0”, medir a tensão de saída e calcu-lar o ganho mínimo desta faixa.

Av max= []

Av min= []

Avmax/Avmin= []

Etapa 2

Substituir Rf para 10 kΩ e repetir a experiência.

Av max= []

Av min= []

Avmax/Avmin= []

Etapa 3

Substituir Rf para 100kΩ e diminuir a tensão de entrada para 200mVpp. Re-petir a experiência.

Av max= []

Av min= []

Avmax/Avmin= []

Observamos que a faixa de ajuste é de aproximadamente 11:1, exatamente a relação [(Rp/Ro)+1]:1. Nos casos onde Rf>>Rspan, esta relação é satis-fatoriamente precisa; somente para o caso de Rf=1kΩ esta relação deixa de ser precisa.

Etapa 4

• Substitua Ro para 10kΩ e repita a experiência. A faixa de ajuste será de aproximadamente 1,47:1. Av max= [] Av min= [] Avmax/Avmin= [] Observações finais: O potenciômetro de 4,7kΩ é muito utilizado no circuito de ajuste porquê proporciona baixa resistência equiva-lente do divisor de saída (span) sem sobrecarregar muito o amp op.

Podemos considerar este circuito com dois atenuadores (divisores resisti-vos) em cascata como mostra a figura 10. -+ V_o α V o R P RS RO e-Rf Ri