Introdução ao Amplificador Operacional e circuitos básicos

1. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015
Amplificador Operacional
Prof. Jader A. De Lima

2. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 2

3. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 3

4. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 4

5. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 5

6. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 6
Características ideais:
• A → ∞
• GBW → ∞
• Rin → ∞
• Rout = 0
• Vos = 0; Ios = 0;
• CMRR → ∞
Amplificador Operacional
( )12o VVAV −=

7. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 7
• Seguidor de Tensão (buffer)
curto virtual
Vε ≅ 0

8. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 8
• Amplificador Inversor
2Lo iii −=
• corrente a ser fornecida pelo opamp;

9. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 9
• Somador Inversor

10. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 10
• Amplificador Não-Inversor

11. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 11
21o
21o
4V6VV
V
5K
2K
V
5K
3K
1K
9K
1V
+=












+











+=
• Somador Não-Inversor

12. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 12
• Amplificador Diferencial
( )12Vout V-VAV =

13. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 13
• curto virtual à entrada do opamp






+
=
=
42
4
2b
ba
RR
R
VV
VV
• caso a) V2 = 0
1
3
1aout
R
R
V_V −=
• caso b) V1 = 0 



















+
+
=
1
31
42
4
2bout
R
RR
RR
R
V_V
Se R1 = R2 e R3 = R4 ( )12
1
3
out V-V
R
R
V 





=




















+
+
+





−=
+=
1
31
42
4
2
1
3
1out
boutaoutout
R
RR
RR
R
V
R
R
VV
_V_VV

14. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 14
• limitação: impedância de entrada finita
Amplificador de Ponte
rin1
(R2+ R4)
rin2
(R1+ R3)

15. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 15
• Amplificador de Instrumentação
( ) 











+−=
3
4
1
2
12out
R
R
R
2R
1VVV

16. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 16
• Integrador
in
in
out V
CRj
1
V
ω
−=
(t)dtV
R
1
dt
R
(t)V1
(t)V-
t
0
in
in
t
0
in
in
out
∫∫ ==
CC

17. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 17
• Integrador
in
in
out V
CRj
1
V
ω
−=
(t)dtV
R
1
dt
R
(t)V1
(t)V-
t
0
in
in
t
0
in
in
out
∫∫ ==
CC

18. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 18
• Integrador com perdas (filtro passa-baixas)

19. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 19
• Diferenciador com perdas
• Rin limita o ganho em médias frequências a Rf/Rin; melhor rejeição a ruído
filtro passa-altas
• Cf introduz um polo 1/(CfRf), limitando a banda passante do circuito
filtro passa-faixas

20. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 20
• Diferenciador
CRj
V
V
in
in
out
ω−=
t
V
CRV-
in
fout
∂
∂
=

21. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 21
Amplificadores Não-Lineares

22. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 22
• Amplificador LOG
( )
SO
C
TBE
TBE/
SO
TBE/
SOC
outBE
I
I
lnVV
VVeI1VVeII
VV
=
≅−=
−=
1SO
in
Tout
1
in
C
I
V
lnVV
V
I
R
R
−=
=
• comumente utilizados na compressão de sinais

23. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 23
http://www.usultratek.com/products/logamp3.htm
• Amplificador LOG

24. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 24
Tin/
1SO1o
TBE/
SOC
VV-eRIV
VVeII
==
≅
RIC• para Vin < 0
• Amplificador ANTI-LOG
• comumente utilizados na expansão de sinais

25. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 25
Rin
VVin
Iin
+
−
=
Xcs
V
Ics
+
=
Xcn
VoutV
Icn
−
=
+






+=





+= +−
R1
R2
1V
R1
R2
1VVout
Zin
Dupla Realimentação (positiva + negativa)
?
Iin
Vin
Zin ==
Ics
IcnIin

26. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 26
Xcn
VoutV
Xcs
V
Rin
VVin
Iin
−
+=
−
=
+++






+=





+= +−
R1
R2
1V
R1
R2
1VVout






−=






−=






+−
+= +
+
+
++
+
Xcn
1
R1
R2
Xcs
1
V
Xcn
R1
R2
V
Xcs
V
Xcn
R1
R2
1VV
Xcs
V
Iin
IinRinVinV −=+
( )






−=
− Xcn
1
R1
R2
Xcs
1
IinRinVin
Iin






−
+=
Xcn
1
R1
R2
Xcs
1
1
Rin
Iin
Vin
Capacitância negativa!!
Compensação da capacitância Cs à
entrada para otimização da resposta
transiente;
NIC: Negative-Input Capacitance

27. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 27
Diagrama simplificado de memória SRAM
Aplicações circuitos de capacitância negativa (NIC)
Ponta de prova ativa
(largura de banda 1-2GHz, Rin = 1MΩ, Cin = 1pF)
Ex: ponta passiva: BW = 200Mhz, Cin = 25pF

28. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 28
Análise da estabilidade utilizando diagramas de Bode

29. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 29
• resposta ao degrau otimizada:
• aquela em que o valor final é alcançado rapidamente;
• margem de fase (ΦM) ao menos 45º ;
Resposta ao degrau em função da Margem de Fase

30. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 30

31. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 31
em projeto, procura-se obter ΦM ≅ 60º
OPTIMAL

32. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 32
Resposta em frequência do opamp não compensado
• cada estágio de ganho contribui com um polo em baixa frequência

33. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 33
(GX, gain cross
over frequency)
• Compensação em Frequência
margem de fase positiva
margem de fase negativa

34. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 34
• Compensação em Frequência
Teorema de Miller

35. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 35
• Compensação em Frequência

36. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 36

37. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 37
PM = 0

38. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 38

39. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 39
• Topologia típica do opamp a BJT
Capacitor Miller

40. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 40
zero RHP

41. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 41
• 741

42. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 42
• Influência do zero RHP
C
m
C
g
z =
ΦM < 0
• efeito do zero RHP mais pronunciado
no caso de opamp a MOSFET;
• gm menor relação ao BJT

43. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 43
CZ
m
CR-
g
1
1
z






= • para Rz > 1/gm, o zero move-se para o LHP
ΦM pode ser aumentada
• Inserção de RZ para cancelar efeito do zero RHP

44. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 44
• Limitação Slew-Rate

45. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 45
SR==





∆
∆
=
C
2I
t
Vc
2II
1
MAX
1C_MAX

46. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 46

47. EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015 47
REFERÊNCIAS:
• Microelectronic Circuits, A. Sedra and K. Smith,
Oxford university Press, 5th Edition, 2003
• Analysis and Design of Analog Circuits, Gray, Hurst,
Lewis and Meyer, 5th
Edition, 2009
• Fundamentals of Microelectronics, B. Razavi, John
Wiley and Sons, 2006