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08 amplificador operacional
O documento discute os principais tipos de circuitos que utilizam amplificadores operacionais, incluindo amplificadores inversores, não-inversores, somadores e diferenciais. Também aborda amplificadores não-lineares como logarítmicos e anti-logarítmicos, além de características importantes como estabilidade, compensação e limitação de taxa de variação. O documento fornece detalhes técnicos sobre o projeto e análise desses circuitos.
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- 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