1

Amplificadores OperacionaisCircuitos para condicionar

sinais analógicos

Eletrônica AplicadaProf. Anísio R. Braga, COLTEC-UFMG

2

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

3

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

6

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.

7

Circuito interno equivalente de Amplificador Operacional

Estágio de Entrada

Estágiointerno

Amplificador compensador

Estágio de Saída

IoutFornecendo corrente

IoutDrenando corrente

Amplificador diferencial

Configuração Push-Pull

8

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)

11

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

16

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

17

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

18

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