EFEI - IEE / DON Kazuo Nakashima
1 AMPILFICADOR OPERACIONAL (FUNDAMENTOS)
Objetivos
Nesta experiência faremos o primeiro
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Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos
EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima 2
Endireitar os leads dos compon...
Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos
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1) COMPARADOR INVERSOR
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Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos
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2) COMPARADOR NÃO INVERSOR
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4) AMPLIFICADOR INVERSOR
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6) COMPARADOR COM HISTERESE IN...
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R=10k
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Amp op lab1 (1)

  1. 1. EFEI - IEE / DON Kazuo Nakashima 1 AMPILFICADOR OPERACIONAL (FUNDAMENTOS) Objetivos Nesta experiência faremos o primeiro contato com o amplificador operacional e apresentaremos os procedimentos passo a passo que tornarão a execução dos ensaios mais rápida e segura. Verificaremos a grande versatilidade do amp op implementando as configura- ções básicas utilizando apenas meia dú- zia de componentes passivos adicionais. Analisaremos o comportamento do cir- cuito sob duas formas: ! No tempo, observando os sinais de entrada, vi(t), e de saída, vo(t), simul- taneamente através de um osciloscó- pio de duplo traço. ! Função de transferência vo=f(vi), utili- zando o osciloscópio no modo x-y x(HORIZONTAL) = sinal de entrada y(VERTICAL) = sinal de saída Instalação do Amp Op no Protoboard 1o passo: Instalar o 741C (mini DIP) no protoboard, com o pino 1 voltado para o lado esquerdo inferior (lado chanfra- do no lado esquerdo). 2o passo: Instalar os fios da alimenta- ção. +15V ao pino 7 do 741C (fio ver- melho), -15V ao pino 4 do 741C (fio verde) e 0V ao barramento GND do protoboard (fio preto). Manter a alimentação desligada toda vez que for montar ou modificar um circuito. Se o protoboard possuir barramento duplo (régua estreita com dois barramen- tos), alimentar o primeiro barramento su- perior com +15V, o primeiro barramento inferior com -15V e os dois barramentos centrais com GND. Uma vez alimentado os barramentos do protobord, alimentar o 741 através de pequenos "jumps", também coloridos, entre o barramento e o pino correspon- dente. Desta forma conseguiremos insta- lar diversos Circuitos Integrados com mais organização. - + 1 2 3 4 78 6 5 +15V -15V 0V/GND 0V/GND +15V→ 0V→ 0V→ -15V→ Figura 1: Lay Out e pinagem do 741C. Para interligar os componentes eletrô- nicos, utilize fios rígidos, encapados, de bitola correspondente a 22, 24 ou 26 AWG. Os LEADS dos demais compo- nentes devem apresentar a bitola cor- respondente.
  2. 2. Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima 2 Endireitar os leads dos componentes e a parte desencapada dos fios com o a- licate de bico. Não force a introdução dos leads tortos nos contatos do proto- board; se isto acontecer, os contatos do proto-board serão danificados permanen- temente. Utilize o alicate de corte para cortar os LEADS e fios no tamanho ade- quado. A fiação da alimentação deve ser bem feita e de modo a não atrapalhar a ins- talação dos demais componentes uma vez que ela permanecerá em quase to- das montagens. É boa prática não desconectar a ali- mentação quando for desmontar um circuito para montar outro. 3o passo: Planejar a construção do cir- cuito e esboçar mentalmente um Lay Out da montagem. Procure manter a disposição dos componentes como no diagrama esquemático. 4o passo: Completar o circuito conforme o diagrama esquemático utilizando o menor número de fios possível e de forma a facilitar a substituição do amp op. A partir deste ponto, as ligações de a- limentação não serão mais indicadas no diagrama esquemático. Fica suben- tendido, no entanto, que o amp op de- ve ser alimentado com ±15V. Para o 741C, pino 7=+15V, pino 4=-15V, e a li- nha de terra (comum do circuito) ao ZERO da fonte simétrica de ±15V Osciloscópio A análise no domínio do tempo consis- te em observar simultaneamente as for- mas de onda de entrada e saída, Vi(t) e Vo(t), através de um osciloscópio de dois canais. Para facilitar a execução das experi- ências é comum adotar a seguinte con- venção: Sinal de entrada = canal CH1 Sinal de saída = canal CH2 Uma vez que a alimentação padrão dos circuitos a amp op é ±15V, todos os sinais estarão compreendidos dentro desta faixa. Se calibrarmos o osciloscó- pio em 5V/DIVISÃO, acoplamento DC (importante), e com os traços centrados na tela, qualquer sinal será captado pelo osciloscópio dentro das 6 divisões cen- trais da tela. O acoplamento DC permite verificar a presença de nível contínuo e, por exem- plo, medir a tensão da fonte de alimen- tação. Além disso, o acoplamento AC pode distorcer a forma de onda nos si- nais de baixa freqüência. O sincronismo (Trigger) deve ser feito preferencialmente pelo sinal de entrada, CH1, modo NORMAL ou AUTOMÁTICO, SLOPE+. Neste tipo de ensaio o sinal de excita- ção pode ser senoidal, triangular ou quadrada. Localização de defeitos 1. Se o amp op estiver saturado positi- vamente e não responder ao sinal de excitação, verifique a alimentação ne- gativa (pino 4=-15V). Se estiver corre- to verifique se o terminal da entrada não inversora (pino 3) está correta- mente conectado ao circuito. 2. Se o amp op estiver saturado negati- vamente, verifique primeiro a alimen- tação positiva (pino 7=+15V). Se esti- ver correto, verifique o terminal da en- trada inversora. 3. Se tudo isto estiver correto, verifique a temperatura do amp op. Em condi- ções normais a temperatura do corpo (case) deverá ser próxima da tempe- ratura ambiente.
  3. 3. Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima 3 1) COMPARADOR INVERSOR 10k 10k 2k iV oV - + +Vcc -Vcc 2 3 6 7 4 " Ligar primeiro a fonte de alimentação de ±15V e em seguida o gerador de sinais (vi). " Ajustar o gerador de funções em: SENO, 100Hz, 4Vpp. " Observar vi = f(t) e vo = f(t). Faça um posicionamento, vertical e horizontal adequado. Desenhe as formas de on- da indicando o nível zero, amplitudes e tempos. " Ajuste os comandos do osciloscópio conforme indicado no oscilograma. Na parte inferior estão definidos pela or- dem CH1=2V/DIV, CH2=5V/DIV, H=2mSEC/DIV. CH1:2V/DIV CH2:5V/DIV H:2mSEC/DIV 0V No amp op em malha aberta o amp op estará sempre saturado. ( ) ( ) V e e V e e Sat Sat + + − − + − ⇒ − > ⇒ − < 0 0 Observe no oscilograma acima que o amp op muda de estado quando e-=e+, neste caso igual a zero. Observe ainda que a saída muda para negativo quando ao sinal de entrada vai para positivo. O sinal de saída tem pola- ridade invertida em relação ao de entra- da. " Mude o comando do osciloscópio pa- ra operação x-y (x = vi). Posicione corretamente os eixos x-y (ou ponto 0-0). Você estará observando a função de transferência deste circuito. Para centrar o eixo, mude a chave AC- GND-DC de CH1 para GND. Posicione o traço horizontalmente atuando no botão HORIZONTAL POSITION. Volte esta chave para posição DC. Mude a chave AC-GND-DC de CH2 para posição GND. Posicione o traço verticalmente atuando no botão VERTI- CAL POSITION de CH2. Volte esta chave para posição DC. CH1:2V/DIV CH2:5V/DIV H:XY 0V Observe que no eixo X o sinal ocupa duas divisões de 2V/DIV, ou seja, 4Vpp. No eixo Y o sinal varia entre VSAT+ e VSAT-, não necessariamente simétricas. O oscilograma indica VSAT+=+14,5V e VSAT- =-14,5V.
  4. 4. Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima 4 2) COMPARADOR NÃO INVERSOR R=10k 10k 2k - + CH1:2V/DIV CH2:5V/DIV H:2mSEC/DIV 0V CH1:2V/DIV CH2:5V/DIV H:XY 0V Observe que a saída está sempre sa- turada e muda de estado quando e+=e-. O sinal de saída tem a mesma polarida- de do sinal de entrada uma vez que es- tamos aplicando o sinal de excitação na entrada não inversora do amp op. Não desmonte o circuito. " Complete o circuito conforme o dia- grama esquemático do amplificador não inversor instalando um resistor entre o terminal de saída e o terminal de entrada inversora, fechando uma Realimentação Negativa. 3) AMPLIFICADOR NÃO INVERSOR iR =10k 10k 2k fR =20k - + CH1:2V/DIV CH2:2V/DIV H:2mSEC/DIV 0V CH1:2V/DIV CH2:2V/DIV H:XY 0V O sinal de saída não satura devido à realimentação negativa e tem a mesma polaridade do sinal de entrada porque estamos aplicando o sinal de excitação na entrada não inversora do amp op. Neste amplificador V V R R k k o i f i = + = + =1 20 10 1 3
  5. 5. Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima 5 4) AMPLIFICADOR INVERSOR iR =10k 10k 2k fR =20k iV oV - + CH1:2V/DIV CH2:2V/DIV H:2mSEC/DIV 0V CH1:2V/DIV CH2:2V/DIV H:XY 0V O sinal de saída está invertido em re- lação ao sinal de entrada porque o sinal de excitação é aplicada na entrada in- versora do amp op. V V R R k k o i f i = − = − = − 20 10 2 Observe que o circuito do amplificador inversor é o mesmo que circuito do am- plificador não inversor. Muda apenas o terminal onde é aplicado o sinal de en- trada. 5) COMPARADOR COM HISTERESE NÃO IN- VERSOR. R=10k nR=20k 10k 2k - + Vi=TRIANGULAR, 100Hz, 20Vpp CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:2mSEC/DIV 0V CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:XY 0V Observe que o sinal de saída está sempre saturada, tem a mesma polari- dade que o sinal de entrada e muda de estado em dois níveis diferentes do sinal de entrada (dois pontos de trip) forman- do um ciclo de histerese. Devido à realimentação positiva, a comutação é mais rápida.
  6. 6. Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima 6 6) COMPARADOR COM HISTERESE INVERSOR. R=10k nR=10k 10k 2k - + CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:2mSEC/DIV 0V CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:XY 0V Observe a característica inversora deste circuito e a histerese menor. Se você mudar CH2 para e+, você percebe- rá que o amp op muda de estado exata- mente quando e-=e+. O diagrama esquemático do compara- dor com histerese (realimentação positi- va) é muito parecido com o diagrama es- quemático do amplificador (realimenta- ção negativa). O comportamento do cir- cuito é muito diferente devido à diferença fundamental no tipo de realimentação. 7) MULTIVIBRADOR (OSCILADOR DE RELAXAÇÃO). R=10k nR=20k fR =100k C=100nF 2k - + OBS.: Este circuito é um oscilador e NÃO necessita do gerador de funções para funcionar Neste circuito existem simultaneamen- te os dois tipos de realimentação: positi- va e negativa. A instabilidade neste tipo de circuito se reflete em uma oscilação. Freqüência = [Hz] CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:2mSEC/DIV 0V A freqüência de oscilação depende do produto Rf*C, da histerese e de VSAT. Uma vez que VSAT NÃO é um valor preci- so, esta freqüência não será precisa. " Complete o circuito adicionando um diodo 1N4148 e um resistor de 1k.
  7. 7. Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima 7 R=10k nR=20k fR =100k C=100nF 2k 1k Vo - + " Inverta a polaridade do diodo. Verifique se a relação entre o intervalo alto e o intervalo baixo é próximo do va- lor entre a resistência de 100k e 1k. 8) OSCILADOR PONTE WIEN R fR =20k 2k - + iR =10k C RC R=15k C=10nFΩ Obs:. Se o circuito não oscilar, instale um resistor de 1MΩ em paralelo à Ri. " Meça a amplitude e a freqüência do sinal de saída. Pela teoria, a freqüência de oscilação é kHzCRfosc 061,12/1 == π e a ampli- tude igual a VSAT. fOSC MEDIDO= [Hz] CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:0.2mSEC/DIV 0V O ganho de tensão é muito crítico nes- te circuito. Abaixo de 3, o circuito não oscila. Muito acima de 3 a distorção au- menta. Para aumentar o ganho de tensão, basta aumentar Rf ou diminuir Ri. " Instalar um resistor de 100k em para- lelo à Ri.
  8. 8. Experiências com Amplificadores Operacionais - Fundamentos EFEI-IEE/DON : Kazuo Nakashima 8 CONCLUSÕES 1. Utilizando pouquíssimos componentes passivos adicionais implementamos diversos circuitos de comportamentos diferentes. 2. A função que o amp op executa e a precisão do circuito depende destes componentes adicionais. 3. Observamos a grande diferença de comportamento entre a realimentação negativa e realimentação positiva. 4. A tensão de saída tem a mesma pola- ridade que a tensão de excitação a- plicada no terminal da entrada não in- versora do amp op e polaridade opos- ta quando aplicada na entrada inver- sora. 5. Você deve ter observado que é muito fácil trabalhar com amp op. Os circui- tos funcionam conforme previsto. BIBLIOGRAFIA [1] R. F. Coughlin & F. F. Driscoll, “Opera- tional Amplifiers and Linear Integrated Circuits,” 4 th Ed., Prentice -Hall, Boston, 1991. [2] D. J. Dailey, “Operational Amplifiers and Integrated Circuits, Theory and Applica- tions,” McGraw Hill, Butler, 1989. [3] K. Nakashima, “Amplificadores Operacio- nais” EFEI/FUPAI, Itajubá, 1987. [4] A. Pertence Jr., “Amplificadores Opera- cionais e Filtros Ativos,” Makron Books do Brasil, 1989. [5] G. G. Clayton, “Operational Amplifiers,” Butterworth, London, 1971. [6] R. A. Gayakward, “Op Amps and Linear Integrated Circuit Technology,” Prentice- Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1983. [7] W. G. Jung, “Op Amp Cookbook,” 2d Ed. Howard W. Sans, 1981. [8] W. G. Jung, “IC Timer Cookbook,” 2 d Ed. Howard W. Sans, 1983. [9] J. C. Graeme, G. E. Tobey and L. P. Huelsman, “Operational Amplifiers De- sign and Applications,” Burr-Brown / McGraw Hill, 1971. [10] H. W. Fox, “Master Op Amp Applications HandBook,” Tab Books, 1978. [11] A. P. Malvino, “Eletrônica,” Vol.2, Ma- kron Books do Brasil, 1986. [12] R. Boylestad and L. Nashelsky, “Disposi- tivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos,” Prentice-Hall do Brasil, 1984. [13] H. M. Berlin, “The Design of Op Amp, With Experiments,” Howard Sans, 1983. [14] H. M. Berlin, “The Design of Active Fil- ters With Experiments,” Howad Sans, 1978. [15] L. M. Faulkeberry, “An Introduction to Operational Amplifiers with Linear IC Ap- plications,” 2d Ed., Wiley, New York, 1982. [16] D. Lancaster, “Active Filter Cookbook,” Howard Sans, Indianapolis, 1981. [17] M. E. Van Valkenburg, “Analog Filter Design,” Holt, Rinehart & Winston, New York, 1982. [18] SIEMENS: a) Simadyn C Analog Control - Catalog DA97; b) Components; c) ICs for Industrial Electronics. [19] BURR BROWN: Integrated Circuits Data Books; [20] NATIONAL SEMICONDUCTOR: a) Linear Databook; b) Audio / Radio Hand- book; c) Voltage Regulator Handbook. [21] RCA: a) Linear Integrated Circuits; b) COS/MOS Integrated Circuits. [22] ANALOG DEVICES: a) NonLinear Cir- cuits Handbook; b) Analog - Digital Con- version Notes; c) Data Acquisition Prod- ucts Catalog. [23] PMI - PRECISION MONOLITICS INC: a) Linear and Conversion Applications Handbook; b) Linear and Conversion Products Databook. [24] TELEMECANIQUE: A) Rectivar, b) Esta- tovar. Itajubá, MG, Dezembro de 2006

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