Amplificador Operacional

AmpOp

Aproximadamente 1/3 dos CI’s lineares são Amplificadores Operacionais (AmpOp). Isso decorre da necessidade de se ter um circuito amplificador de fácil construção e controle, e de boa qualidade.
O Amplificador Operacional é um componente activo usado na realização de operações aritméticas envolvendo sinais analógicos.
Os Amp Op são amplificadores que trabalham com tensão contínua tão bem como com tensão alternada. As suas principais características são:

• Alta impedância de entrada
• Baixa impedância de saída
• Alto ganho
• Possibilidade de operar como amplificador diferencial

Funções do Amplificador Operacional

• Amplificação
• Regulação de Sistemas
• Filtragem
• Operações lineares e não lineares
• Controlo de processos

Operações dos Amplificadores Operacionais

• Soma
• Diferença
• Integração
• Logaritmo

Funcionamento do Amplificador Operacional

O amplificador operacional pode funcionar em três modos:

• Realimentação Positiva
• Realimentação Negativa
• Malha Aberta (Sem Realimentação)

Características AmpOp 

Ganho A: ideal infinita. Na prática, são usados valores na ordem dos 200 000.

Impedância de entrada: ideal infinita. Na prática, valores são possíveis valores na ordem dos 10 MΩ (significa que o amplificador não consome corrente pelas entradas).

Impedância de saída: No AmpOp ideal considera-se que a corrente de saída pode ter um valor infinito o que implicaria uma impedância de saída nula.Na prática, são usados valores na ordem dos 75 Ω, o que significa uma ausência de queda de tensão interna na saída.

Resposta de frequência: ideal de 0 ao infinito. Na prática escolhem-se tipos com resposta bastante acima da frequência na qual irão operar para dar uma aproximação do ideal.

Relação de rejeição em modo comum: este parâmetro provavelmente é mais conhecido pela sigla inglesa CMRR (common mode rejection ratio). Conforme igualdade I.1, um amplificador operacional ideal tem saída nula se as entradas são iguais. Nos circuitos práticos, há sempre uma pequena saída com as entradas iguais, condição esta chamada de modo comum. A condição usual, isto é, com tensões de entrada diferentes, é chamada modo diferencial. E o parâmetro é dado pela relação, expressa em decibéis, dos ganhos em ambas condições CMRR = 20 log (ganho modo diferencial / ganho modo comum). Um circuito ideal teria CMRR infinito.

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Símbolo

Um amplificador analógico é sempre representado como um triângulo em que um dos vértices é a saída. Internamente é constituído por uma cascata de amplificadores com transistores. É composto por duas entradas (V⁺) Não Inversora e (V^-) Inversora e uma saída (V_O). O gráfico mostra o diagrama esquemático de um Amplificador Operacional com seu modelo mais usual.

+V_CC e -V_CC são as tensões de alimentação do amplificador operacional

Alguns amplificadores operacionais também podem ser alimentados com +V_CC e 0V

A tensão de saída, V_O, está limitada pelas tensões de alimentação
(neste caso, V_O ∈ [-V_CC, +V_CC])


Os amplificadores operacionais amplificam a diferença de tensão aplicada nas entradas V⁺ e V^-
V_O=A(V⁺-V^-) onde A representa o ganho de tensão do amplificador. O ganho pode atingir valores da ordem 10⁵ a 10⁶.

Amplificador Operacional Ideal

Para um amplificador operacional ideal considera-se que :
R_i = ∞ ⇒ Correntes nulas nas entradas V⁺ e V^-
R_O = 0 ⇒ tensão de saída, V_O, não depende da carga
A = ∞ ⇒ Zona Linear quando V _D = 0 V⁺ = V^-
Nas zonas de saturação verifica-se
V_D > 0 ou V⁺ > V^- ⇒ V_O = +V_CC(sat. positiva)
V_D < 0 ou V⁺ < V^- ⇒ V_O = −V_CC(sat. negativa)

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Seguidor de tensão (característica ideal)

BUFFER

Considerando que o amplificador operacional é ideal tem-se
V⁺ = V⁻ na zona linear
Por análise do circuito verifica-se que V⁺ = V_IN e V⁻= V_OUT

resultando V_OUT = V_IN

Seguidor de Tensão (característica real)

No AmpOp verifica-se que V_out = A(V⁺ - V^-)
Para esta montagem obtém-se V_OUT =A(V_IN - V_OUT)

VOUT =	A	VIN
	A + 1

Como A é muito elevado ⇒ V_OUT ≈V_IN
Para que um amplificador funcione na zona linear, é indispensável que esteja realimentado negativamente
V_OUT ligado a V^-, direta ou indiretamente)

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Montagem Inversora (Amplificador Inversor)

V⁺ = 0 ⇒ V^- =0

I1 =	VIN - V-	=	VIN
	R1		R1

e

I2 =	VOUT - V-	=	VOUT
	R2		R2

Como não existe corrente na entrada do amplificador operacional ideal (I₁ +I₂ = 0) pode escrever-se

VOUT	+	VIN	=0
R1		R2

obtendo-se finalmente

VOUT	= -	R2
VIN		R1

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Montagem Não Inversora (Amplificador Não Inversor)

Como não existe corrente na entrada do amplificador operacional ideal, obtém-se

V- =	R2	VOUT
	R1+R2

No Amplificador ideal tem-se V⁺ = V^-

V- = V+= VIN=	R2	VOUT
	R1+R2

Resultando

VOUT	=	R1 + R2	= A
VIN		R2

O Ganho A é sempre Maior que 1

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Montagem Somadora

V⁺ = 0 ⇒ V^- = 0 Para as correntes I₁, I₂ e I₃ obtém-se

I1=	V1	I2=	V2	I3=	VOUT
	R1		R2		R3

Como não existe corrente na entrada do amplificador operacional verifica-se que

I1+ I2 + I3 = 0 ou	V1	+	V2	+	VOUT	=0
	R1		R2		R3

Resultando

Se R1 = R2 = R3, obtém-se V_OUT =-(V₁ + V₂)

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Montagem de Diferença (Amplificador Diferencial)

Para determinar V_OUT em função de V₁ e V₂ é conveniente utilizar o Teorema da Sobreposição

Simulando V₂=0 obtém-se uma montagem inversora.

V1OUT= -	R2	V1
	R1

Simulando V₁=0 obtém-se uma montagem não inversora

Como não existe corrente na entrada do amplificador operacional ideal, obtém-se

V+ =	R4	V2
	R3+ R4

e

V- =	R1	V2OUT
	R1+ R2

Considerando um amplificador operacional ideal V⁺ = V^-

V2OUT =	R4	X	R1 + R2	V2
	R3+ R4		R1

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Comparador

A característica de transferência de um AmpOp pode ser explorada para efeitos de discriminação de sinais de tensão:

Se Vi > 0 V_o ≅ +VCC (saturação positiva)

Se Vi < 0 V_o ≅ −VCC (saturação negativa)

com Vi = V⁺−V⁻

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Amplificador de CA com AmpOP

Em determinadas circunstâncias existe a necessidade de bloquear a corrente contínua e amplificar apenas a corrente alternada. Este tipo de aplicação é executado com a inclusão de um condensador(capacitor) de acoplamento. Para que funcione como amplificador de CA adiciona-se C₁ e C₂.

É preferível projetar o circuito de modo que os capacitores não apresentem reatâncias muito elevadas. Assim, é normal adotar como regra prática um valor de R1 aproximadamente 10 vezes maior do que XC₁, assim como o valor da carga no circuito deve ser aproximadamente 10 vezes maior do que XC₂.

R₁ ≥ 10/2πfC₁
R_L ≥ 10/2πfC₂

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Proteção de Entrada de Sinal no AmpOp

A entrada diferencial de um AmpOp pode ser danificada se a tensão exceder o máximo da tensão diferencial na entrada. Por exemplo, para o CI 741 a tensão é de ±30V. Por definição, a tensão diferencial de entrada é medida a partir da entrada não inversora para a entrada inversora do AmpOp.
A forma de proteção mais comum para proteger as entradas de um AmpOp consiste na utilização de dois diodos em antiparalelos entre os terminais das entradas de sinal do amplificador. Os diodos utilizados devem ser diodos retificadores do tipo 1N4001 ou equivalente. Costuma-se colocar resistores nas entradas para evitar uma provável queima dos diodos e garantir uma melhor proteção.
Podemos concluir que essa proteção impede que a tensão diferencial de entrada ultrapasse 700mV.

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Proteção de Saída de Sinal no Amplificador Operacional

A maioria dos amplificadores operacionais têm proteção interna contra curto-circuito na saída. O 741, por exemplo, tem essa proteção. Se consultarmos o datasheet do 741, encontramos para a corrente de curto-circuito de saída um valor de 25mA.
O fabricante garante que a duração do curto-circuito de saída pode ser ilimitada ou indeterminada, desde que a capacidade de dissipação térmica do componente não seja excedida. Por outro lado o CI 709 não possui proteção interna contra curto-circuito na saída e, neste caso, o fabricante recomenda a colocação de uma resistência(resistor) externa.

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Proteção nas Entradas de Alimentação

Se a polaridade da tensão de alimentação no AmpOp for invertida, quase todos os componentes internos serão polarizados incorretamente, o que danificará irreversivelmente o componente.
Uma das formas de proteger o circuito é colocar um diodo polarizado corretamente para cada uma das entradas de alimentação.

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Proteção contra Ruídos

Fontes de ruídos ou interferências, próximas dos circuitos com operacionais, podem alterar o nível de tensão CC de alimentação do integrado, a qual deve ser estabilizada com ripple o mais reduzido possível.
A alteração do valor de tensão provocada por ruído ou oscilações parasitas pode prejudicar a resposta do circuito e, em função da aplicação e dos níveis dos sinais processados, poderá provocar erros grosseiros e perigosos no sistema.
Para proteger o AmpOp contra ruídos e oscilações da fonte de alimentação, coloca-se um condensador(capacitor) de 0,1µF entre a massa(terra) e cada um dos terminais de alimentação. Os capacitores atuam como capacitores de passagem para as correntes parasitas, normalmente de alta frequência, produzidas ao longo dos condutores entre a fonte de alimentação e o circuito.

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Exemplo prático com 741

Um Amplificador Operacional pode ser entendido como um circuito amplificador de alto ganho, onde a entrada é representada por uma resistência de alto valor e a saída por uma fonte de tensão controlada e uma resistência em série.

Para um 741, Av = 100.000 ; Ro = 75 Ω.
Av = Ganho de tensão diferencial:

Normalmente dado em dB (deciBeis). Para um 741, Av = 100 dB.
Para calcular o ganho de tensão em dB basta fazer: Av(dB) = 20 log |Av|, que no caso do
741, será Av(dB) = 20 log 100000 = 20 log 10⁵ = 20 * 5 log 10 = 100

Rin = Resistência de entrada.
Entradas com TJB: Rin = 1MΩ

Entradas com FET: Rin = 10¹²Ω

Ro = Resistência de saída
Normalmente Ro = 100 Ω. O valor ideal para Ro seria 0 Ω, mas traria problemas para o CI quando ocorresse curto-circuito na saída.
CMRR = Razão de Rejeição de Modo Comum

Vos = Tensão de Off-Set. Compensação das diferenças entre as tensões Vbe dos transistores de entrada.
SR = Slew Rate: Taxa de inclinação (variação). É a taxa máxima de variação da tensão de saída para uma variação em degrau na entrada
BP = Banda Passante: É a faixa de frequências para a qual o ganho do amplificador é igual ou menor que 1/raiz 2 do ganho nominal ou em frequências médias. Para o 741, sem realimentação, BP = 10Hz. Com realimentação negativa, o ganho nominal diminui, mas a BP aumenta.
f_unidade: é a frequência para a qual o ganho do amplificador não realimentado é igual a 1, ou seja igual a 0 dB.

Cálculos Online para AmpOp