Amplificador Operacional estudo e discussoes

Universidade Federal de Uberlândia
Faculdade de Engenharia Elétrica
Disciplina – Eletrônica Analógica II
Amplificador
Operacional
Eletrônica Analógica 2
Gustavo Brito de Lima

Tópicos Abordados nesta aula
 Visão geral do Amplificador Operacional
(Amp. Op.)
 Construção de CIs.
 Amplificador Operacional 741
 O Amplificador Inversor
 Resposta em frequência

O Amplificador Operacional
Ganho  200
Resistência de saída  20 kΩ
Ganho  10.000
Resistência de saída  20 kΩ
Ganho  10.000
Resistência de saída  20 Ω

Circuitos Integrados
 Os circuitos integrados foram desenvolvidos em 1959 e
revolucionaram a eletrônica uma vez que milhares de
elementos microscopicamente pequenos puderam ser
compactados em um único chip.
 Para fabricação do CI o fabricante produz um cristal do
tipo p com vários centímetros de comprimento, que será
fatiado e chamado de wafer.

Circuitos Integrados
 Os wafers são colocados em um forno contendo uma mistura
gasosa de átomos de silício e átomos pentavalentes.
 Dessa forma é formada uma fina camada de semiconductor
do tipo n sobre o wafer. Essa fina camada é chamada de
Camada Epitaxial.
 Para evitar contaminação é vaporizado sobre essa camada
oxigênio puro, que combina com os átoms de silício
formando dióxido de silício (SiO2). Essa camada é chamada
de Passivação e evita outras reações químicas.

Fabricação do Transistor
 Para fabricação do transitor uma área do SiO2 é removida quimicamente.
 Ao vaporizar átomos trivalentes a camada n é transformada em camada p.
Após esse processo é realizado novamente a Passivação (vapor de O2)

Fabricação de Diodo e Resistor
 O processo de fabricação de diodos e resistores é bastante
semelhante ao do transistor.

Fabricação de Diodo e Resistor
 Os Cis podem ser:
 SSI (Small Scale Integration): até 12 components
 MSI (Medium Scale Integration): 12 a 100 componentes
 LSI (Large Scale Integration): mais de 100 componentes
 VLSI ( Very Large Scale Integration): ordem de milhares
 ULSI (Ultra Large Scale Integration): ordem de milhões.

O Amplificador Ideal
AVOL = Open loop voltage gain
v1 = Voltage at inverting input
v2 = Voltage at non-inverting input
VCC = Positive Power Supply
-VEE = Negative Power Supply
2 1
( )
OL
A v v
 



O Amplificador Não Inversor
 O amplificador não inversor também utiliza
realimentação negativa para estabilizar o ganho de
tensão através de um dividor de tensão na saída.
 Se por algum motivo a tensão de saída tender a
aumentar, mais tensão é realimentada na porta inversora,
reduzindo a tensão de saída e estabilizando o ganho.

O Amplificador Não Inversor
Cálculo do Ganho
𝑉 𝑖𝑛 𝐼 𝑅 1
𝐼 𝑅𝑓
𝑉 𝑖𝑛
𝑉 𝑅𝑓
1
1
1
1
1
1 1
( )
1
1
1
in
R
R Rf
Rf R f
out in Rf
f
in
out in R f in f in
f
out
v CL
in
V
I
R
I I
V I R
V V V
R
V
V V I R V R V
R R
R
V
A
V R


 
 
 
       
 
 
  

Reposta em Frequência
 A largura de banda (bandwidth) é a frequência a partir da
qual o ganho do AO começa a decrescer.
 Em malha aberta a frequência de corte gira em torno de
10 Hz.
 A frequência de ganho unitário ocorre quando o ganho é 0
db.
Largura banda
Frequência ganho
unitário

O Amplificador Inversor – Resposta
em Frequência
 Em função do capacitor interno do AO sua largura de banda em malha
aberta é muito baixa (por volta de 10 Hz)
 Quando se utiliza a realimentação negativa largura de banda aumenta,
respeitando a relação chamada produto ganho-largura de banda (GBW)
( )
V CL LB unity
A f f
 

O Amplificador Inversor –
Resposta em Frequência
( )
V CL LB unity
A f f
 
100.000 ∙ 10=1 ∙ 106

( )
V CL LB unity
A f f
 
10.000 ∙ 100=1 ∙ 106

( )
V CL LB unity
A f f
 
1.000 ∙ 1000=1 ∙ 106

( )
V CL LB unity
A f f
 
100 ∙ 10.000=1 ∙ 106

( )
V CL LB unity
A f f
 
10 ∙ 100.000=1 ∙ 106

Exemplo
Amplificador Não Inversor.psimsch

O Amplificador Inversor
 Normalmente o ganho de tensão em malha aberta é muito
alto, em torno de 100.000, o que é inútil para a maioria das
aplicações.
 O amplificador inversor utiliza realimentação negativa para
estabilizar o ganho de tensão.
 A tensão de saída é invertida com relação à entrada, uma vez
que o sinal é aplicado na porta inversora.

O Amplificador Inversor
 Para simplificar a análise do AO pode-se
considerar que a impedância de entrada é
infinita, bem como o ganho em malha aberta.
 Dessa forma:
 i2 = 0, desde que a resistência interna seja infinita
 V2 = 0, desde que o ganho seja infinito
Curto-circuito
virtual

1
1
( )
1
f
R in
R out
in in
f in out
f
out
V CL
in
V V
V V
R I V
R I V
R
V
A
V R


 
 
 
Cálculo do Ganho AV(CL)
𝑉 𝑅1
𝑉 𝑅f

Impedância de Entrada
 A impedância de entrada (impedância vista pela
fonte) pode ser facilmente encontrada utilizando
o curto-circuito virtual.
 No caso do Amplificador Inversor: Zin(CL) = R1

Exemplo
 Dado o circuito abaixo calcule:
 O ganho em malha fechada (AV) e a largura de banda.
 Plote o diagrama de Bode desse circuito. Considere o amp
como sendo o LM741 (GBW = 1 MHz)
 Qual o ganho desse circuito se aplicado
um sinal com frequência de 1 kHz e 200 kHz?
Amplificador Inversor.psimsch

Exemplo de Projeto
 Foi solicitado ao engenheiro responsável por uma indústria petroquímica a
modernização do seu sistema de monitoramento de processos de refinamento
de petróleo. O sistema antigo utilizava sensores que operam de 0 a 15V. Os
novos sensores operam de 0 a 3.75 V. Em ambos a frequência máxima de
operação é de 500 kHz.
 No entanto, o sistema de aquisição de dados, que recebe a informação dos
sensores, deve ser mantido, já que sua modernização será realizada em outra
etapa. Nesse contexto, projete um circuito eletrônico que possibilite a
utilização dos novos sensores.
Sensor Antigo
(0 a 15 V)
Aquisição de
dados
Sensor Novo
(0 a 3.75 V)
Seu circuito
Eletrônico
Aquisição de
dados
0 a 15 V
0 a 15 V
0 a 3.75 V
0 a 15 V

Polarização e Offset
 Quando o ganho A V em malha fechada é
reduzido, o erro de tensão é suficientemente
para ser ignorado.
 Caso aindapersista offset na tensão de
saída é possível utilizar um resistor (RB2) conectado na
porta não inversora (+) de modo a anular o offset

Anulação do offset da tensão
de saída
 O datasheet do 741 recomenda a utilização do
circuito abaixo para eliminar o offset da tensão de
saída.

 Slew rate é a taxa em que a tensão de saída
pode variar sem causar distorção na forma de onda.
 No 741 o Slew Rate (SR) é igual a 0.5 V/µs.
Slew Rate
V
s

 
 
 

 É desejável calcular a relação entre o slew rate do AO (SR)
com a amplitude (VP) e frequência (f) do sinal de saída.
 Considerando um sinal senoidal Vout, pode-se calcular a
variação máxima (SS) através da sua derivada:
s (2 )
( s (2 ))
2 cos(2 )
valor máximo é obtido quando cos(2 ) 1
2
2
in p
p
in
p
s p
s R
p R
V V en f t
d V en f t
dV
f V f t
dt dt
O f t
S f V
S S
f V S


 



  
 
    
 
  

  
Esta condição (variação máxima do
sinal de saída menor que o slew rate
do AO) garante que não haverá
distorção no sinal de saída
(2 )
( (2 ))
2 cos(2 )
out p
p
out
p
V V sen f t
d V sen f t
dV
V f f t
dt dt


 
  
 
    
Slew Rate

Slew Rate

Exemplo Resolvido
 Considerando um sinal senoidal de entrada com 10
mV de amplitude, determine qual sua frequência
máxima para que não ocorra distorção na saída
quando este sinal é amplificado através do 741, cujo
slew rate seja igual a 0.5 μV/s e ganho Av = 10.
Solução
2 𝜋 ⋅ 𝑓 ⋅(10⋅10
−3
𝑉 ⋅10)<0.5
𝑉
10
− 6
𝑠
𝑓 =796.178,344 k 𝐻𝑧

Próxima Aula
 Circuito somador
 Circuito subtrator

Referências desta aula
Complementar Avançada
Básica

Amplificador Operacional estudo e discussoes

Mais conteúdo relacionado

Semelhante a Amplificador Operacional estudo e discussoes

Amplificador Operacional estudo e discussoes

Notas do Editor