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Amplificadores OperacionaisCircuitos para condicionar
sinais analógicos
Eletrônica AplicadaProf. Anísio R. Braga, COLTEC-UFMG
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A ideia de um amplificador de uso geralV1
Vo
B
Ganho da realimentação
A
Amplificador
V2
E Vo
21 VVE 21 VVAVo
oBVV 2
oo BVVAV 1
11 AVABVo
ABA
VVo
11
BVVo 1
1
21 VV
Anotações de Harold Black em 6/ago/1927 sobre feedforward & feedback.
•Amplificador Operacional Pneumático• Controlador Proporcional
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O princípio da realimentação e amplificação de sinais
• Amplificador operacional– É um Controlador Proporcional com ganho muito alto (>100k) e, portanto,
quando devidamente realimentado produz um sinal de erro, E, entre as entradas muito pequeno.
– O Amplificador Operacional ajusta a saída Vo para que o sinal V2 acompanhe o sinal V1.
V1
Vo
B
Ganho da realimentação
A
Amplificador
V2
E Vo
21 VVE
21 VVAVo
oBVV 2
oo BVVAV 1
11 AVABVo
ABA
VVo
11
Como AB>>1 tem-se BV
Vo 1
1
e
21 VV .
Suposições teóricas:•O bloco de diferença na entrada não drena energia dos sinais V1 e V2.•O ganho A do amplificador é muito alto (> 100.000)
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O Circuito Integrado Amplificador Operacional• Encapsulamentos de Amplificadores operacionais
• Símbolos: a) Buffer; b) Entrada diferencial saída únicac) Entrada e Saída diferenciais
• Alimentação de AmpOp.– Fonte Simétrica– Fonte única
Identificação dos Pinos [LM741]:•Pino 2: Entrada Inversora•Pino 3: Entrada Não-Inversora•Pino 4: Alimentação Negativa (-Vcc)•Pino 6: Saída•Pino 7: Alimentação Positiva (+Vcc)
U13
2
74
6
1
5
+
-
V+V-
OUT
N1
N2
5
Modelos de Circuitos• Amplificador de Saída Única (Single
Ended)
• Amplificador de Saída Diferencial
Notação e termos usados em circuitos realimentados
Rf resistor de realimentaçãoRi resistor de entrada
Tensão de SaídaRfp resistor de compensação
Tensão de entrada
Ponto de Soma
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Como se implementa um Amplificador Operacional com transistores?
AAmplificador diferencial
• Amplificador diferencial• Amplifica a diferença
entre os sinais de tensão da entrada.
• Restrições• Ganho pequeno.• Saída de baixa
potência.• Falta de proteção
contra curto na saída.
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Circuito interno equivalente de Amplificador Operacional
Estágio de Entrada
Estágiointerno
Amplificador compensador
Estágio de Saída
IoutFornecendo corrente
IoutDrenando corrente
Amplificador diferencial
Configuração Push-Pull
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Circuito detalhado de uma configuração de Amplificador Operacional como Buffer
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Efeito da realimentação no ganho e largura de faixa.
• A realimentação ...– Reduz o ganho de malha aberta para a razão de resistores externo.– Aumenta a largura de faixa do circuito.– Reduz o impacto das variações nas características do amplificador operacional na regulação de
tensão de saída.– Reduz o impacto do ruído – Aumenta o risco de instabilidade
Ganho de malha aberta
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Características de um amplificador operacional
• Alta Resistência de entrada (idealmente infinita) – as entradas do AOP praticamente não drenam corrente dos circuitos
externos. Isto significa que a carga sobre a fonte de sinal é muito reduzida, evitando-se assim distorções no sinal medido;
• Baixa Impedância de Saída (idealmente zero)• A entrada diferencial
– permite que muitos tipos de ruídos, presentes em ambos terminais de entrada (modo comum) sejam fortemente atenuados;
• Alto ganho (idealmente infinito)– permite que o ganho da topologia seja determinado inteiramente pelos
componentes externos, deixando o sinal praticamente imune às variações de temperatura e das variações na fonte de alimentação.
• Larga faixa de Passagem (idealmente infinita)• Alta Razão de Rejeição Modo Comum (CMRR)
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Razão de Rejeição de Modo Comum - CMRR
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As características reais e ideais de AmpOps
Característica Valor
Ideal
Valor Real
Típico
Ganho de Malha
Aberta A
100.000 V/V
Tensão de Offset Vos 0 1mV a 25 oC
Correntes de
Polarização iA,iB
0 10- 10-
Impedância de
Entrada Zd
1011
Impedância de Saída
Zo
0 10
•Regras para análise de circuitos com AOP´s• Alta Resistência de entrada (i1 i2 0).• Em operação com Realimentação Negativa o AmOp ajusta o sinal de saída para fazer
com que as tensões de entrada se igualem (v1 v2)• São aplicáveis as leis de Kirchoff e o princípio da superposição.
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Aplicações• Circuitos com amplificadores operacionais
implementam operações matemáticas como Soma, Subtração, Integral, Derivada, etc.
• Contribuem para a ampla utilização dos operacionais:– Versatilidade;– Parâmetros próximos de um amplificador de tensão ideal;– Performance real próxima daquela prevista em análise
com características ideais• Aplicações
•Simulação analógica•Processamento de sinais•Conformação de sinais•Instrumentação
•Regulação de tensão•Fontes de alimentação•Multiplicação•Amplificação
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Diagrama esquemático de Amplificador inversor e Não-Inversor
•Amplificador Seguidor de TensãoBuffer = Reforçador
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Configuração Diferencial• A tensão de saída é obtida igualando-se as entradas v+ e v-.
1
21
22
43
4
1
21 vRR
Rv
RR
R
R
RRvo
V2
V1
R121
R221
R321
3
2
74
6
1
5
+
-
V+V-
OUT
N1
N2
Vo
R421
243
4v
RR
Rv
por superposição:
ovRR
Rv
RR
Rv
21
11
21
2
ovRR
Rv
RR
Rv
RR
R
21
11
21
22
43
4
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Amplificador Diferencial
• Considerando R4 = R2 e R3 = R1
V2
V1
R121
R221
R321
3
2
74
6
1
5
+
-
V+V-
OUT
N1
N2
Vo
R421
1
21
22
43
4
1
21 vRR
Rv
RR
R
R
RRvo
121
2 vvR
Rvo
2112 RRZ
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Configuração Não-InversorConsiderando v1 = 0
V2
R121
R221
3
27
4
6
1
5
+
-V+
V-
OUT
N1
N2
Vo
21
21 vR
Rvo
1Z
2
43
4
1
21 vRR
R
R
RRvo
1
21
22
43
4
1
21 vRR
Rv
RR
R
R
RRvo
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Configuração InversorConsiderando v2 = 0:
V2
V1 R1
2 1 R2
2 1
R3 2 1
3
2
7
4
6 1
5
+
-
V+
V-
OUT N1
N2 Vo
R4 2 1
11
2 vR
Rvo
11 RZ
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Interpretanto o termo “Terra virtual”
• Amplificador inversor
• Circuito equivalente– A entrada negativa é amarrada ao
potencial de referência ou Terra pelo mecanismo de realimentação com alto ganho e do ponto de vista do circuito é como se fosse estabelecido um curto entre as entradas, porém com corrente nula entre as entradas + e – do AmpOp.
0 VoltTerra virtual