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exercicios ampop

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    CAPITULO 2 AMPLIFICADOR OPERACIONAL

    2.1.IntroduoO amplificador operacional (AO) um dispositivo em CI que tem grandes

    aplicaes em todas as reas da eletrnica. Como o circuito interno muitocomplexo toda a analise a ser feita considerando o modelo a ser visto a seguir na

    Fig 2.1, o qual adequado para a maioria das aplicaes. A Fig2.1a mostra osmbolo do AO e a Fig2.1b o circuito equivalente simplificado.

    ( a ) ( b )

    Fig2.1: Amplificador operacional Smbolo e circuito equivalente

    Na Fig2.1 v1 a tenso aplicada na entrada no inversora e v2a tenso aplicadana entrada inversora.

    Vi = v1 v2 o sinal erro ou sinal diferenaRi a resistncia de entradaRO a resistncia de sada

    Av o ganho de tenso em malha aberta (ganho sem realimentao)

    Sem nenhuma carga ligada na sada, VS = AvVi = Av.(v1 v2 ), isto , o AO pode serconsiderado basicamente como um amplificador diferencial , pois a sadaresponde somente diferena entre as duas tenses de entrada, se v1= v2VS =0.

    Um AO idealmente deveria ter as seguintes caractersticas:a) Resistncia de entrada infinitab) Resistncia de sada nulac) Ganho de tenso em malha aberta infinitod) Largura de faixa infinitoe)Ausncia de offset na sada( Vs = 0 se v1= v2 )f) Slew rate infinito

    2.2 Circuitos BsicosOs circuitos que sero vistos a seguir so considerados bsicos pois derivam amaioria dos circuitos que sero vistos em seguida.

    ( d )

    Vs0 Vs=0

    Integrador

    10.fc

    Amplificador inversor

    f=100Hzf=2KHz

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    2.2.1. Amplificador Inversor um circuito com realimentao negativa, obtida atravs da rede de resistoresR2e R1.

    Fig2.2.: Amplificador inversor

    Consideraes:

    1. Vamos admitir que o ganho de malha aberta infinito, isto , AV = VS/Vi =infinito, logo Vi = Vs/AV= 0isto , o ponto A tem o mesmo potencial do terra (dizemos que o ponto A umterra virtual).2. Tambm consideraremos que Ri infinito e em conseqncia I1= I2 (a correntenas entradas do AO so nulas).

    Feitas as consideraes acima da Fig2.2 obtemos:Ve = R1.I1e VS = - R2.I2portanto AVf= VS/Ve = - R2.I2/R1.I1e como I1= I2 AVf= - R2/R1O sinal negativo indica defasagem de 180 entre Ve e VS do circuito A resistnciade entrada do circuito dada por Rif= R1 ( a resistncia efetivamente vistapela fonte Ve.

    A resistncia de sada que a carga RL enxerga quando olha para o AO dadapor:

    Exerccios Resolvidos2.1. Calcule VS e a corrente de sada do AO (IAO) no circuito.

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    Soluo:Ve =1V AVf= - 4K7/1K = -4,7 logo Vs = AVf.Ve = -4,7.1V = - 4,7VIL = -4,7V/10K = - 0,47mA( para cima) e IAO= I1 + I2= 1mA + 0,47mA = 1,47mA

    ( entrando no AO )

    Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_1.CIR

    2.2. Desenhar os grficos de Vsxt e Vext para o circuito.

    Ve = 0,2.senwt(V)

    Soluo:AVf = Vs/Ve = -10 logo Vs = -10.0,2.senwt = -2.senwt(V)Formas de onda

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    Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_2.CIR

    2.2.2 Amplificador No Inversor o circuito da Fig2.3, no qual podemos observar que a realimentao continuaser negativa, mas o sinal a ser amplificado aplicado na entrada no inversora.

    Fig2.3: Amplificador no inversor

    As mesmas consideraes feitas para o amplificador inversora tambm sero

    feitas para a obteno do ganho com realimentao ( AVf = Vs/Ve ), logo podemosescrever :

    Ve = R1.I1e VS = (R1 + R2 ).I1o ganho com realimentao ser dado por :AVf = VS/Ve = (R1+ R2).I1/R1.I1= (R1 + R2 )/R1ou AVf= 1 + R2/R1A resistncia de entrada com realimentao do circuito muito alta sendo dadapor:

    E a resistncia de sada muito baixa sendo dada por:

    2.2.2.1 - BufferUm circuito derivado do amplificador no inversor o buffer ou seguidor de

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    tenso o qual obtido a partir da Fig2.3 fazendo-se R1 = infinito (circuito aberto)e R2= 0 (curto circuito) resultando o circuito da Fig2.4.

    Fig2.4: Seguidor de tenso ( buffer)

    Este circuito caracterizado por ter ganho de tenso igual a 1, altssimaresistncia de entrada e baixssima resistncia de sada, sendo calculadas

    respectivamente por :Rif = Ri.AV e Rof = RO/AVA principal aplicao de um circuito buffer isolar um circuito que tem altaresistncia de sada de uma carga de baixo valor.

    Exerccios Resolvidos2.3. Determinar VS no circuito.

    Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_3.CIR

    Soluo:A tenso de entrada do circuito

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    como o ganho igual a 2 (1+R2/R1) a sada ser igual a:

    VS = 2.2V = 4V

    2.4. - Qual a mxima amplitude que pode ter a tenso de entrada Ve para que asada

    no sature distorcendo a senoide de sada ?Vsat = 10VSoluo:

    A mxima amplitude de sada 10V, como o ganho AVf = 1 +10K/1K = 11 amxima amplitude da entrada ser :

    Vemx = Vsmx/11 = 10V/11 = 0,91V

    Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_4.CIR

    2.5. - Qual o valor de Ve que resulta numa sada (Vsaida) igual a 8V no circuito ?

    Soluo:O ganho do 2 estgio AVf2= 4 logo a tenso de entrada do 2 estgioser Vs1=VS/AVf2=8V/4=2VO ganho do 1 estgio AVf1= -2 logo a tenso de entrada do 1 estgio,

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    que a tenso de entrada do circuito ser Ve = VS1= 2V/-2 = -1V.

    Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_5.CIR

    2.6.- Qual o valor de R para que VS = 6V ?

    Soluo:A tenso no ponto A igual tenso no ponto B (a corrente atravs do 10K nula).Como o ganho do segundo AO vale 2, com VS =6V a tenso na entrada (ponto B)serigual a:

    VB = 6V/2 = 3V.O 1 AO um buffer, a sua tenso de sada (VA) igual tenso deentrada (V+), portanto :

    V+ =R.10V/(R + 10K) = 3V R = 943 Ohms

    Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_6.CIR

    2.2.3 Sada de Potncia

    A mxima corrente de sada de um AO aproximadamente 20mA. Quando acarga solicitar uma corrente maior, necessrio colocar entre a carga e o AO umreforador de corrente que em geral um transistor na configurao coletorcomum. A Fig2.5a um circuito no-inversor com sada de potncia, mas acorrente na carga s circula num sentido. O circuito da Fig2.5b permite que aentrada seja alternada (no semiciclo positivo conduz TR1 e no semiciclo negativoconduz TR2).

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    ( a ) ( b )

    Fig2.5: Amplificador no-inversor com sada de potncia

    Exerccios Resolvidos2.7.No circuito pede-se calcular: a) Corrente na carga b) Corrente na sada do

    AOc)Potncia dissipada na carga. Dado: b =200

    Soluo:I1= VR1/R1=5V/10K =0,5mA = I2 VR2= 10K.0,5mA = 5Vcomo VL = VR1+ VR2= 5 + 5 = 10V IL= 10V/100W = 0,1A = 100mA.b) IE= I2 + IL = 0,5 + 100 = 100,5mA @IC

    IAO=IB = IC/b = 100,5mA/200 @ 0,5mAc) PDRL = VL.IL= 10V.0,1 A = 1W a potncia dissipada transistor calculada porPDTR = VCE.IC= 5V.0,1 A=0,5W.

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    Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_7.CIR

    2.8. Calcule a potncia dissipada na carga RL.

    Ve = 1senwt(V)

    Soluo:No semiciclo positivo conduz TR2 e temos o circuito, e considerando o valor depico da entrada (1V), a corrente em 1K e em 10K ser I =1V/1K =1mA resultandouma tenso na carga de

    Vs = AVf.Ve = (-10).1V = -10V de forma que a corrente na carga ser igual a IL=-10V/20W = -0,5 A (para cima). No semiciclo negativo as correntes invertem desentido e agora quem conduz TR1 , e TR2 corta.

    Ve: Semiciclo positivo

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    Ve: Semiciclo negativo

    tenso de pico na carga VP =10V como uma tenso senoidal o seu valor eficaz

    a potncia dissipada na carga ser

    Simulao: Para ver a soluo com simulao abrir o arquivo EXRESOLVIDO2_8.CIR

    Exerccios Propostos2.1.Calcular VS em cada caso.1a.

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    2.2.Calcule a corrente na sada de cada AO no ex12. 3. O circuito a seguir funciona como uma fonte de corrente constante (mesmoque acarga mude de valor , o valor da corrente no muda 0. Pede-se:a)Valor da corrente na carga (IL)b) Quais os limites que pode Ter RL, na prtica, para que o circuito possafuncionarcomo fonte de corrente?

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    2.4. O circuito um voltmetro de preciso.Qual o fim de escala para cadaposioda chave?

    Obs: Os resistores so de preciso.2.5. O circuito um ohmmetro de preciso e linear. Quais os limites deresistncia quepodem ser medidos (fim de escala) em cada posio da chave?

    AM