Introdução a Amplificadores Operacionais

• Apresentação do amplificador operacional - AmpOp
• Utilizar o AmpOp em várias montagens tradicionais

• Amplificador operacional  741 (datasheet)
• resistências de 4.7 kW, 1.0 kW e 100 W (1W) 100kW.;
• 3 capacitores de 100 nF,  capacitor 1 mF
• gerador de sinais.
• diodo tipo 1N74001
• multímetro digital
• potenciômetro de 10 kW e resistência de 47 kW

• Input Stage - O estágio de entrada compara as tensões aplicadas, as amplifica e gera um sinal de corrente proporcional à diferença entre as mesmas (I_OUT1).  Este sinal pode "solicitar" ou "fornecer" corrente elétrica para o próximo estágio.
• Second Stage - Neste estágio, o sinal é amplificado mais uma vez, e existem correções de desvios de frequência que possam vir a ocorrer no processo de comparação e ganho.
• Output Stage - Este estágio é im amplificador com dois transístores, os quais atuam  como fonte de corrente (sourcing) ou como "sumidouro", "ralo" de corrente (sinking).  A corrente na saída pode entrar ou sair do AmpOp.

-V_EE e  V_CC É importante observar que existem duas tensões de alimentação (-V_EE e +V_CC ), as quais devem ser simétricas e (em geral) operam com +/- 15 V. Os índices C  e E referem-se (historicamente) a tensão no emissor e no coletor. Como existe uma solicitação grande e variável de potência por parte do  conjunto de transístores que existem no interior do AmpOp, é importante que a tensão seja estabilizada através do acoplamento de capacitores (entre a alimentação e o terra) nas entradas de alimentação.

        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 (V_CC) e negativa (V_EE) 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!!

   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
 

• O ganho do AmpOp é (considerado como)infinito.
• A tensão na saída do AmpOp deve ser menor que a tensão de saturação
- Os transistores internos ao AmpOp devem estar polarizados.
- A tensão de saturação é em torno de um a dois volts abaixo da tensão de alimentação.
- A tensão de saída não pode ser maior que a tensão de alimentação do circuito.
• Deve existir realimentação negativa no circuito (é a realimentação que diminui o ganho).
• A realimentação do AmpOp deve apresentar um "caminho DC" (contato para passagem de um sinal de corrente contínua)

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

R₁=1.0 kW e R₂= 4.7 (ou 100) kW.
• Demonstre, utilizando as regras de ouro, que o ganho desta montagem experimental será dada por

•   Dica para a demonstração da expressão acima:
1. A tensão na saída (V_out) será a necessária para que as entradas inversora (-) e não inversora (+) apresentem o mesmo potencial.
2. Como a entrada não inversora (+) está aterrada, a entrada inversora será um terra virtual.
3. Nenhuma das entradas (em teoria) permite a passagem de corrente elétrica do exterior para o amplificador operacional (impedância de entrada infinita).
4. Se a entrada inversora é um terra virtual, temos que, simplesmente,  resolver o circuito abaixo, onde o terra virtual é representado:

  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.

                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).

•    Para a primeira medida (R₁=1.0 kW e R₂=4.7 kW), utilize uma onda senoidal com amplitude em torno de 1 V_PP.
• Meça o ganho e a diferença de fase entre o sinal do gerador e o sinal amplificado.
• Utilize frequências entre 100 Hz e 2 MHz, com ondas senoidais.
• Calcule o espaçamento (em frequência) para obter quatro pontos por década.
•    Refaça a medida para o ganho, sem medir a diferença de fase, utilizando uma onda senoidal com amplitude bem menor, e uma resistência R₂=100 kW.
• Compare estes resultados com as características do 741. Utilize gráficos (log-log)do ganho (log-log) e da fase  (log-linear) em função da frequência.

• Esta montagem apresenta duas diferenças importantes em relação à anterior:
1. O sinal externo é conectado diretamente ao AmpOp
2. O ganho não é mais invertido.
• Relembre a análise para o ganho de um AmpOp inversor.
•   Aplique agora as regras de ouro para este caso, e mostre que o ganho deverá ser dado pela expressão abaixo

•   Meça o ganho e a diferença de fase para a mesma  faixa de frequência sugerida na montagem anterior, para uma onda senoidal com 1 V_PP.

        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.
 

• Impedância de saída da fonte

• Com a chave  S₁ aberta:
1. Ajuste o gerador para uma onda senoidal com 2 V_PP e uma frequência de 10 Hz,
2. Conecte a carga ao gerador, fechando a chave S₁ e meça a nova amplitude.
• Abra a chave S₁, aumente a frequência, ajuste novamente a amplitude de entrada e volte a medir a amplitude sobre a carga.
• Repita a medida para para valores de frequência entre 10 Hz e 100 kHz.
• Escolha ointervalo de frequência para obter 5 pontos por década na escala log de frequencia, igualmente espaçados.
•   Estime a impedância de saída do gerador (ou impedância interna).

 
• Seguidor de emissor - Impedância de saída do AmpOp

• Ligue a entrada inversora (pino 2) à saída (pino 6) com um fio.
1. Utilize a mesma carga anterior na saída do AmpOp.
2. Com a chave  S₁ aberta, ajuste a amplitude do sinal senoidal na saída do gerador, para uma onda senoidal com 2 V_PP e uma frequência de 10 Hz.
• Feche a chave e repita as medidas da montagem anterior.
•   Estime a impedância de saída do 741, se for possível.  Indique pelo menos a ordem de grandeza dos valores esperada.

• Apresente ambos os resultados em um gráfico log-linear (V_PP  vs. frequência).
• Equacione o resultado esperado para estas amplitudes, utilizando o conceito de lei de Ohm generalizada para as impedâncias envolvidas.
• Utilizando os valores extremos (altas e baixas frequencias), estime os valores das impedâncias de saída do gerador de funções e do amplificador operacional.
• Não se esqueça de estimar os desvios.
• Realize um ajuste de seus pontos experimentais ao modelo proposto, visando obter valores mais exatos para estas impedâncias.
• Programe um ajuste de curvas, a fim de obter os valores exatos para

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 V_CC ou de V_EE. O esquema pontilhado é uma solução para este problema.
 

•   Utilizando um sinal de entrada com amplitude de 1 V_PP, fixe a frequência em 10 kHz.
• Varie as formas de onda (senoidal, triangular e quadrada).
• No caso das ondas quadradas, ajuste o pulso de forma a obter distintas razões ente os períodos de ondas positivas e negativas.
• Meça as intergrações resultantes (no modo AC) e compare se o modelo para a integração está sendo seguido.   Lembre-se de analisar a fase e a amplitude!

•   Aumente a amplitude, até seu sinal apresentar distorção na integração.
• Adicione a resistência R₂ e volta a observar o resultado.
•   Realize algumas varreduras de frequência (alguns pontos em 1 kHz e 100 kHz)

• Imprima telas das imagens relativas as formas de onda ( triangular e quadrada) integradas.
• Compare os valores obtidos com o modelo proposto para integração.

R= 1 kW C = 100 nF

• Utilize os mesmos sinais da montagem anterior, com variações na forma de onda e na frequência, analisando a tensão e a fase na saída.

• Apresente resultados para as derivações de ondas de entrada quadradas e triangulares.
• Esta montagem não apresenta os problemas de instabilidade da montagem anterior. Por que?
• Explique qual a direfença principal na realimentação entre as duas montagens.

        16/03/2000 M.U.K