Relatório # 4
Experimentos 7 e 8
Introdução a Amplificadores Operacionais



Objetivos



Material necessário


Introdução ao Amplificador Operacional

    Esquema simplificado de um AmpOp
       O amplificador operacional é um integrado, no interior do qual existem uma quantidade bastante grande (mais de 30) componentes, envolvendo transitores, diodos, etc.  Uma visão simplificada do que existe no interior do operacional, segundo uma divulgação da Texas Instrument , é apresentada a seguir

Observe que existem três estágios na montagem : um estágio de entrada, um segundo estágio e um e um estágio de saída:
        AmpOp na prática
        Durante o decorrer da disciplina, iremos considerar o AmpOp como um integrado muito simples, sem nos preocupar-nos (em demasia)  com os componentes internos do amplificador operacional.
        Todos AmpOp são representados por um triângulo, com duas entradas e uma saída.  A alimentação não é desenhada (em geral) nos esquemas.  Uma das entradas é inversora (-) e outra não-inversora (+).  O sinal na saída (vértice do triângulo), Vout, é igual à um ganho  A multiplicado pela diferença entre as tensões nas entradas inversora e não inversora, Vout= A (V+-V-).  Idealmente, o ganho A seria infinito, na prática é da ordem de 105. A apresentação de um AmpOp em geral é um encapsulamento com oito entradas, seguindo os esquemas apresentados a seguir:
 
 

        Observe com atenção todos os esquemas. Eles apresentam uma característica em comum, que é a um ponto marcado próximo da região "superior" do integrado.  A região "superior"  é marcada por um corte.  Este corte e o ponto indicam o pino #1.  Todos os pinos são numerados no sentido anti-horário do integrado.
        O integrado deve ser colocado no protoboard de forma a possibilitar conexões independentes a todos os pinos da montagem.
        Uma descrição mais detalhada da função de cada pino do integrado pode ser vista no livro do Horowitz, mas um resumo é apresentado a seguir:

  1. Off-set - o pino 1 e o pino 5 costumam ser conectados a um resitor variável, juntamente com a entrada negativa da alimentação, buscando equilibrar as tensões da entrada.
  2. Esta é a entrada inversora, uma das mais importantes do AmpOp.
  3. Entrada não inversora; conectada ao terra em várias montagens.
  4. Alimentação negativa (-15 V, em nosso caso, com um capacitor de 100 nF acoplado, para minimizar oscilações nos sinais).
  5. Outro pino do off-set.
  6. Tensão de saída.
  7. Alimentação positiva (+15 V, também  com capacitor).
  8. não conectado.
Conecte com extremo cuidado as ligações de terra (GND), alimentação positiva (VCC) e negativa (VEE) no protoboard, utilizando as linhas verticais de alimentação e código de cores para os fios (vermelho (+15 V), preto (-15 V) e verde(terra)).  Coloque o AmpOp com bastante área em torno do mesmo, e ligue um capacitor de 100 nF entre cada alimentação e o terra.  Prepare esta estrutura com um bom  "design de protoborad", pois ela será utilizada em várias aulas conscecutivas.

Consulte a bibliografia sugerida!!

Livro Cap.  
Horowitz
4
até 4.06 (OpAmp), 4.09, 4.12, 4.19 e 4.20 
Millman
15,16
 15.1, 15.9, 16.1 a 16.4 
Bophry
 
 
Malvino
 
 




Regras de ouro na operação de um Amplificador Operacional

   Estas "regras de ouro" permitem a operação correta do AmpOp ideal.  Podem ser aplicadas, com resultados muito bons, em uma infinidade de projetos reais, inclusive em várias montagens experimentais avançadas.

    1. As entradas de um AmpOp não "puxam" corrente (impedância de entrada infinita)
    2. O valor de tensão na saída (fornecido pelo AmpOp), será o necessário para que as a diferença de voltagem entre as entradas seja igual a zero.


    A validade destas regras é completa, desde que sejam considerados alguns detalhes
     




Amplificador Operacional como Amplificador Inversor
 

            Esta é a montagens básica mais utilizada com amplificadores operacionais no cotidiano de laboratórios, no interior de equipamentos que amplificam sinais, etc. .

  Todas (repito, todas) as montagens que sejam realizadas utilizando AmpOp podem ser solucionadas/compreendidas utilizando um desenvolvimento de raciocínio análogo ao apresentado nesta seção, portanto, analise com muito cuidado a lógica envolvida neste processo.



Análise do ganho em função da frequência

                Como o AmpOp não é ideal, sendo formado por um conjunto de  componentes discretos em seu interior, o mesmo pode apresentar algumas características limites em sua operação.  Uma destes limites é a faixa de frequência em que o AmpOp pode operar corretamente.
                Visando observar o ganho em função da frequência, vamos avaliar a resposta para o sistema acima, utilizando ondas senoidais com duas condições de ganho, uma baixa (~5x) e outra mais elevada (~100x).




Amplificador Operacional como Amplificador Não Inversor


R1=1.0 kW e R2= 4.7 kW.





Amplificador operacional como seguidor de emissor: impedâncias

        O limite inferior da montagem do amplificador não inversor seria dado por um valor de R1 próximo de infinito e por um valor de R2 próximo de zero, o que implicaria em um ganho igual a um.   Esta montagem é muito importante para isolar o sinal de entrada de sua posterior utilização (entrada do sinal no AmpOp com alta impedância e saída do AmpOp com baixa impedância).  Esta montagem é conhecida como seguidor de emissor, em parte por motivos históricos, onde o sinal do emissor em um transistor "seguia" o sinal da base.

        Para compreender o conceito de impedância de saída, serão medidas as impedâncias de saída do gerador de funções e do amplificador operacional, para a mesma carga.  Esta carga será formada por um resistor R = 100 W e um capacitor  C = 1 mF associados em série.
 

Proponha um modelo para o cálculo da impedância interna e ajuste seus dados.                 Nesta montagem um AmpOp será montado como um seguidor de emissor, i.e, um dispositivo que altera (em geral, aumenta) a impedância do sinal.




Amplificador Operacional como Integrador
 
 
R1 = 1 kW
C = 100 nF

R2 = 470 kW
ou
 R2 = 1 MW

            Esta montagem pode ser utilizada na geração de rampas ou na integração de sinais experimentais. Existem alguns problemas relacionados às correntes de fuga dos dispositivos utilizados ou mesmo da impedância de entrada do operacional. Como qualquer variação na tensão de off-set do gerador será integrada juntamente ao sinal AC sobreposto, pode ocorrer do sinal ficar polarizado muito próximo de VCC ou de VEE. O esquema pontilhado é uma solução para este problema.
 






Amplificador Operacional como Diferenciador
 
R= 1 kW
C = 100 nF

 


        16/03/2000 M.U.K