Amplificador operacional

Os amplificadores operacionais são um exemplo característico de circuito eletrônico fornecido sob a forma de circuito integrado.

Neste capítulo você terá informações detalhadas sobre os amplificadores operacionais, suas características e modo de utilização. Com essas informações, você será capaz de utilizar e reparar equipamentos que os empreguem.

Para aprender esses conteúdos com mais facilidade, você deverá ter conhecimentos anteriores sobre circuito integrado e relação de fase entre sinais.

O amplificador operacional, também chamado de AO, é um CI com características que o aproximam às de um amplificador ideal.(Figura a seguir)

É um circuito versátil, aplicável em muitas áreas específicas da eletrônica, tais como: instrumentação, circuitos industriais, circuitos de áudio, circuitos eletrônicos para cálculo e filtros de sinais.

A denominação “amplificador operacional” deve-se ao fato de que esses circuitos foram utilizados inicialmente para realizar operações matemáticas como adição, subtração e multiplicação.

Terminais do amplificador operacional

O símbolo utilizado para representar o amplificador operacional é um triângulo que aponta no sentido do fluxo de sinal. Ao triângulo são acrescentados terminais que apresentam os pontos de conexão com o circuito externo.

Existem fundamentalmente cinco terminais que fazem parte de todos os tipos de amplificadores operacionais:

·         Dois terminais de alimentação;

·         Um terminal de saída;

·         Um terminal de entrada não-inversora;

·         Um terminal de entrada inversora.

Veja a distribuição desses pinos na figura a seguir.

Terminais de alimentação

Os amplificadores operacionais apresentam uma característica singular em relação às tensões de alimentação, ou seja, eles são alimentados por duas tensões simétricas (por exemplo: +15 e -15V).

A figura a seguir ilustra uma forma comum de alimentação de um AO a partir de uma fonte simétrica.

Observe que os AOs não são ligados diretamente ao “terra” ou 0V da fonte simétrica. O próprio circuito interno do componente obtém o terra. (Figura a seguir)

Isso não significa que os outros componentes ou circuitos que estejam ligados ao AO não necessitem de terra. O terra para o circuito externo é fornecido no terminal 0 de fonte simétrica.

Veja na figura a seguir um exemplo de um circuito onde existem componentes externos ligados ao terra.

Terminais de entrada

A finalidade de um amplificador operacional é realizar uma amplificação tanto de tensões contínuas quanto alternadas. Isso acontece de tal forma que a relação de fase depende da maneira como são ligadas as suas entradas.

Assim, os amplificadores operacionais possuem duas entradas de sinal:

·         Uma entrada inversora, indicada pelo sinal “-” no símbolo do componente;

·         Uma entrada não-inversora indicada pelo sinal “+”.

Para os sinais ou tensões aplicadas na entrada inversora (-), o AO se comporta como um amplificador com relação de fase de 180º entre saída e entrada, ou seja, se o sinal aplicado na entrada “-” torna-se mais positivo, o sinal de saída torna-se mais negativo. (Figura a seguir)

Para os sinais aplicados à entrada não-inversora (+), o AO se comporta como um amplificador com relação de fase de 00 entre a saída e a entrada, ou seja, se o sinal aplicado na entrada “+” torna-se mais positivo, o sinal de saída torna-se mais positivo. (Figura a seguir)

Quando o sinal é aplicado entre uma entrada e outra, o AO atua como amplificador diferencial, amplificando a diferença entre as duas tensões de entrada.

Características do amplificador operacional

As características (ou parâmetros) de um AO são informações fornecidas pelos fabricantes. Elas possibilitam ao usuário determinar entre diversos AOs aquele que melhor se aplica à sua necessidade.

As características mais importantes são:

·         Impedância de entrada;

·         Impedância de saída;

·         Ganho de tensão diferencial em malha aberta;

·         Tensão offset de saída;

·         Rejeição de modo comum;

·         Banda de passagem.

Essas características podem ser analisadas segundo dois pontos de vista: considerando o AO como ideal ou considerando-o como real. Por isso, as características a seguir serão analisadas segundo uma comparação entre o ideal e o real.

A impedância de entrada é aquela que existe entre os terminais de entrada do amplificador operacional. É denominada Zi.

Um amplificador operacional ideal deve apresentar impedância de entrada infinita (Zi = ¥). Nesse caso, as entradas de sinal não absorvem corrente, operando apenas com tensão.

Como Zi = ¥ , Ii  =  , logo Ii = 0

Os amplificadores operacionais reais têm uma impedância de entrada da ordem de vários megaohms (MM).

Devido a esse alto valor de Zi, os amplificadores operacionais reais podem ser considerados como ideais em relação à impedância de entrada. Essa aproximação do ideal permite que se admita que as entradas de um AO real não absorvam corrente.

A impedância de saída é a impedância do estágio de saída do AO (Zo). No nível de circuito equivalente, a impedância de saída pode ser representada como um resistor em série com o terminal de saída (Zo). (Figura a seguir)

Um amplificador operacional ideal deve apresentar impedância de saída nula  (zero ), ou seja, comporta-se como uma fonte de tensão ideal para a carga, sem resistência interna. (Figura a seguir)

Isso permite que a tensão na saída de um AO ideal dependa apenas dos sinais de entrada e da amplificação, sendo independente da corrente solicitada pela carga. (Figura a seguir).

Em um amplificador operacional real, a impedância de saída existe e pode variar desde poucos ohms (5 , por exemplo) até valores como 1000 . Essa impedância atua como uma resistência interna e provoca uma queda na tensão de saída.

Portanto, a tensão VO na saída de um AO real depende:

·         Das tensões nas entradas;

·         Do ganho do AO;

·         Da corrente solicitada pela carga.

Observação

Através de recursos externos ao AO, em alguns casos, pode-se reduzir a impedância de saída para menos de 1 .

O sinal a ser amplificado por um AO pode ser aplicado de três maneiras:

·         Entre entrada inversora (-) e terra;

·         Entre entrada não-inversora (+) e terra;

·         Entre as duas entradas.

Quando o sinal é aplicado entre uma entrada e a outra, o amplificador atua como amplificador diferencial, amplificando a diferença entre as duas tensões de entrada.

Nessa condição o ganho obtido entre saída e entrada é denominado de ganho de tensão diferencial e pode ser de dois tipos: em malha aberta e em malha fechada.

Nos “databooks” (circuitos lineares) os fabricantes fornecem o ganho de tensão diferencial em malha aberta (Ad), que é a amplificação fornecida pelo AO quando não há ligação externa entre o terminal de saída e entrada (sem realimentação).

O ganho de tensão diferencial em malha aberta de um AO ideal deve ser infinito (Ad = ¥).

O ganho de tensão diferencial em malha aberta em um AO real varia entre 10³ e 10⁹. Nos manuais este ganho normalmente é expresso em decibéis:

db = 20 . log

O ganho fornecido por um AO pode ser diminuído desde o valor Ad (ganho diferencial em malha aberta) até o valor 1, se necessário. Essa redução é obtida pela realimentação fornecida por componentes externos ao AO e que interligam a saída com a entrada.

Veja o circuito amplificador com AO e com componentes para realimentação (malha fechada). (Figura a seguir)

Observação

Esta é uma das características mais importantes de um AO: o ganho em malha fechada definido somente pelos componentes externos que fazem a realimentação.

A tensão offset de saída é qualquer valor de tensão que esteja presente na saída de um AO que tem as entradas aterradas (a zero volt).

Em um AO ideal, a tensão offset de saída é nula, ou seja, a saída deve estar a “zero volt” se ambas as entradas forem levadas ao potencial de terra.

No AO real a tensão offset é da ordem de poucos milivolts.

Alguns amplificadores operacionais têm terminais que possibilitam, através de circuitos externos, ajustar a tensão de saída para zero quando as entradas forem levadas ao potencial de terra. Este ajuste normalmente é denominado de “offset null”.  A figura a seguir mostra símbolo de um AO com dois terminais específicos para esse ajuste.

A rejeição de modo comum (CMRR) é a capacidade que um amplificador operacional tem de não amplificar tensões que sejam comuns às duas entradas porque não há diferença a ser amplificada.

A rejeição de modo comum também é conhecida como ganho de modo comum (AVCM).

Um amplificador operacional ideal deve ter uma rejeição de modo comum infinita (CMRR = ¥), amplificando apenas a diferença entre a tensão das duas entradas.

Um amplificador operacional real amplifica também as tensões comuns aos dois terminais de entrada, mas com ganho muito menor (centenas de vezes menor).

Como o ganho diferencial não é constante ao longo de todas as faixas de freqüências amplificadas, denomina-se banda de passagem a faixa de freqüências em que o ganho do circuito se mantém até 70% do ganho máximo (que corresponde a - 3db em relação ao máximo). O gráfico a seguir mostra o ganho de um AO em função da freqüência amplificada.

Por esse gráfico se observa que até 5Hz o ganho do AO é constante (106dB  = 20000). A partir de 5Hz, o ganho decresce com aumento da freqüência até que em 1MHz, o ganho é igual a 1.

Existem configurações de ligação do AO que permitem estender a banda de passagem para até centenas de quilohertz e até mesmo megahertz, no caso de alguns amplificadores operacionais especiais.

Amplificador operacional 741

Um dos amplificadores operacionais mais usados na atualidade é o 741. Seu campo de aplicação é tão extenso que um grande número de fabricantes de circuitos integrados produz amplificadores operacionais com características e designações praticamente idênticas (MA 741, LM 741, MC 741, SN 72741).

Uma análise comparativa entre o 741 e um AO ideal mostra que, em muitas características o 741 pode ser considerado como “ideal”. Isso é mostrado na tabela a seguir.

Outras características

Além das características internas importantes, os manuais trazem especificações relativas aos fatores externos ao amplificador operacional. Esses valores são máximos e, se excedidos, podem danificar permanentemente o componente. São eles:

·         Tensão de alimentação: + 22V;

·         Dissipação de potência: 500mW;

·         Tensão de entrada: + 15V (tensão máxima que pode ser aplicada entre uma entrada inversora ou não-inversora e o terra. Em qualquer caso, não deve exceder a tensão de alimentação);

·         Tensão de entrada diferencial: + 30V (tensão máxima que pode ser aplicada entre as duas entradas: inversora e não-inversora);

·         Duração de curto-circuito na saída: indefinida (o AO LM741 tem um circuito interno de proteção contra sobrecarga);

·         Temperatura máxima de operação: 0ºC a 700C.

Observação

As características apresentadas correspondem ao AO LM 741.

Ajuste de offset de saída

A figura a seguir mostra a disposição dos terminais do 741 nos encapsulamentos circular e DIL.

Os dois terminais indicados com a designação “offset null” são utilizados para a correção do offset na tensão de saída através do circuito externo.

A figura a seguir mostra o AO 741 com o circuito externo necessário para o ajuste da offset da tensão de saída.

Circuitos lineares com amplificador operacional

No capítulo sobre o amplificador operacional, foram apresentadas características fundamentais do AO e também o ajuste de offset de saída, necessária para o seu correto funcionamento.

Neste capítulo serão apresentados circuitos aplicativos que utilizam amplificadores operacionais e que são muito usados em equipamentos industriais.

Para ter sucesso no desenvolvimento dos conteúdos e atividades deste capítulo, você deverá ter conhecimentos anteriores sobre amplificador operacional e Leis de Ohm e Kirchhoff.

Característica de transferência de um AO

O ganho de um AO em malha aberta (sem realimentação) é altíssimo, atingindo valores da ordem de 10.000 ou mais.

Assim, se uma diferença de 10 milivolts for aplicada entre as duas entradas de um AO com um ganho de 10.000, por exemplo, a tensão de saída será:

Vo = (VA - Vs) . Ad

Como Va - Vb = 10mV, Vo = 0,01 . 10.000 = 100 V

Portanto, Vo = 100V.

Entretanto, como a maioria dos AOs é alimentada a partir de fontes de baixa tensão

(± 15V, por exemplo), a tensão de saída nunca sobe além do valor de alimentação. (Figura a seguir)

Quando a tensão de saída de um AO atinge um valor igual (ou próximo) à tensão de alimentação, diz-se que ele atingiu a saturação.

Como um AO é alimentado por tensões simétricas, a saturação pode ocorrer tanto para a tensão de saída positiva quanto para a negativa. Essas situações são chamadas de saturação positiva e saturação negativa. (Figura a seguir)

Quanto maior for o ganho em malha aberta (Ad) de um AO, menor será a tensão entre as entradas para levá-lo à saturação.

Característica de transferência do amplificador operacional

Colocando-se em gráfico o comportamento do AO, obtém-se o resultado mostrado a seguir.(Gráfico a seguir)

Esse gráfico é denominado de característica de transferência do AO.

Nesse gráfico enquanto a tensão entre as entradas está abaixo de 15mV (positivos ou negativos), a tensão de saída obedece à equação Vo = Vi  .  Ad  e corresponde a uma versão amplificada do sinal Vi.

Essa equação resulta em um comportamento linear (reta inclinada) na região central da característica de transferência.

Devido à linearidade da tensão de saída em função da tensão de entrada, esta região é denominada de região linear.

Um AO funcionando como amplificador deve trabalhar somente na região linear, onde a tensão Vo é uma réplica amplificada da tensão Vi.

O gráfico a seguir mostra a característica de transferência de um AO com as três regiões de funcionamento.

Amplificação da região de operação linear

Devido ao alto ganho de malha aberta, a região linear é muito estreita, situando-se entre alguns milivolts positivos e negativos. (Gráfico a seguir)

Isso significa, por exemplo, que, se um AO sem alimentação fosse usado como amplificador de sinais, o sinal de entrada teria que estar limitado a poucos milivolts.

Com a utilização da realimentação negativa, a região linear de operação de um AO pode ser ampliada através da redução do ganho.

A realimentação negativa consiste em fazer retornar uma parte do sinal de saída para a entrada inversora, através de um circuito externo.

Veja na figura a seguir um amplificador operacional com um divisor de tensão externo (R1 e R2) que faz a realimentação negativa.

Supondo-se, por exemplo, um circuito com ganho de tensão Av = 100, estabelecido por R1 e R2 e com alimentação de + 15Vcc. (Figura a seguir)

A tensão Vo está limitada aos valores + 13V aproximadamente. Para que se obtenha +13V na saída com um circuito com ganho 100, é necessário aplicar + 0,13V ou - 0,13V à sua entrada.

Comparando-se as características de transferência de um AO em malha aberta e em malha fechada com ganho 10, no exemplo, verifica-se a amplificação da região linear de alguns milivolts até 13mV. (Gráfico a seguir)

Os gráficos mostram como a redução do ganho permite um aumento da região linear

Circuitos lineares

Os circuitos que usam AOs na região linear são chamados de circuitos lineares. Como exemplo desse tipo de circuito, podemos citar:

·         Amplificador inversor;

·         Amplificador não-inversor;

·         Somador.

Amplificador inversor

O amplificador operacional possui uma entrada inversora de sinal que permite sua utilização como amplificador de sinal com inversão de fase de 1800 entre saída e entrada. (Figura a seguir)

Para que o AO opere na região linear, é necessário acrescentar a malha de realimentação negativa ao circuito. A figura seguinte mostra a configuração de um amplificador inversor com AO.

Observação

Para maior clareza da figura, foram omitidos os terminais de alimentação e offset.

Ganho do amplificador inversor

O ganho (Ad) do amplificador inversor depende apenas dos componentes da malha de realimentação. Esta dependência pode ser comprovada com base numa análise do circuito. Para isso, vamos considerar a impedância de entrada como ideal (infinita). Desse modo, a entrada do sinal não absorve corrente do circuito externo. (Figura a seguir)

Uma vez que não há circulação de corrente na entrada do AO, a queda de tensão na impedância de entrada é nula. (Figura a seguir)

Tanto a entrada não-inversora (aterrada) como a inversora têm potencial de 0V. Embora a entrada inversora (-) não esteja ligada fisicamente ao terra, seu potencial é nulo. (Figura a seguir)

Esse ponto é denominado de terra virtual. (Figura a seguir)

Quando se aplica uma tensão à entrada do amplificador inversor, uma corrente circula no resistor R1. Como se considera o terra virtual a 0V, o valor desta corrente é dado pela Lei de Ohm. (Figura a seguir)

Uma vez que a entrada do amplificador operacional não absorve corrente, a mesma corrente que circula no resistor R1 passa através de R2. (Figura a seguir)

O resistor R2 está ligado entre a saída do circuito e o terra virtual (0V) de forma que a queda de tensão em R2 é igual à tensão de saída Vo. Esta tensão pode ser calculada pela Lei de Ohm.

Vo = I . R2

Como dispomos das equações de Vo e V1, pode-se determinar a equação do ganho do circuito amplificador inversor.

Av =                    

Observação

O sinal negativo (-) na frente da expressão indica a inversão de fase (180º).

Simplificando o termo I, comum ao denominador e ao numerador, tem-se a equação pronta:

Ad =

A equação mostra que o ganho do circuito depende apenas dos componentes que compõem a malha de realimentação.

A figura seguinte mostra um amplificador inversor com ganho - 10 (10 com inversão de fase).

O resistor R3 não influencia no ganho e seu valor deve ser igual ao paralelo R1 e R2.

R₃ =

Impedância de entrada do amplificador inversor

Admitindo-se que o terminal de entrada inversora é um terra virtual, a impedância de entrada do circuito (Zi) será o próprio valor de resistor onde se aplica o sinal, ou seja,

Zi = R1. (Figura a seguir)

Impedância de saída do amplificador inversor

A impedância de saída (Zo) do amplificador inversor é sempre muito menor que a impedância de saída do próprio AO.

Os valores típicos de Zo são menores que 1W.

Amplificador não-inversor

Para a obtenção de um amplificador não-inversor, utiliza-se a entrada não-inversora do AO, o que resulta em Vo em fase com Vi. (Figura a seguir)

A malha de realimentação (R2 e R1) é necessária para manter o AO na sua região linear de funcionamento.

Ganho do amplificador não-inversor

O ganho (Av) do amplificador não-inversor normalmente é determinado considerando-se o AO como ideal, ou seja, apresentando os seguintes valores:

·         Impedância de entrada (Zi) = ¥;

·         Impedância de saída (Zo) = 0 ;

·         Ganho diferencial (Ad) = ¥.

Com essas aproximações, que não prejudicam o resultado prático, a equação do ganho do amplificador não-inversor é:

Av =

Nessa equação dois aspectos são importantes:

·         A ausência do sinal negativo, que indica que o sinal de saída está em fase com o sinal de entrada;

·         Se R2 for muito maior que r1, a equação pode ser simplificada para:

Ad =

Impedância de entrada do amplificador não-inversor

No amplificador não-inversor, o sinal de entrada é aplicado diretamente à entrada não-inversora. Desta forma, a impedância de entrada (Zi) é a própria impedância de entrada.

Impedância de saída do amplificador não-inversor

A impedância de saída Zo do amplificador não-inversor também é sempre menor que a impedância de saída do próprio AO (Zo).

Os valores típicos são menores que 1W.

Circuitos aritméticos com amplificador operacional

Circuitos aritméticos com AO são circuitos capazes de realizar operações aritméticas como soma e subtração.

Circuito somador

O circuito somador é aquele capaz de fornecer na saída uma tensão igual à soma das tensões aplicadas nas entradas. (Figura a seguir)

Considerando-se que a entrada inversora não absorve corrente e que o ponto A no circuito é um terra virtual, pode-se analisar o comportamento do somador.

Aplicando-se duas tensões (V1 e V2) nas entradas, circularão as correntes I1 e I2, cujos valores são: (Figura a seguir)

I₁ =            I₂ =

As correntes I1 e I2 se somam no nó A e circulam através do resistor R3, uma vez que a entrada do AO não absorve corrente. (Figura a seguir)

A tensão de saída é dada pela Lei de Ohm:

Vo = - (I1 + I2) R3  ou  Vo = - (I1 . R3) + (I2 . R3)

Se os valores de R1, R2 e R3 são iguais, tem-se:

Vo = - (I1 . R)  +  (I2 . R)

Como I1 . R = V1  e   I2 . R  = V2, então:

Vo = - (V1  + V2)

A tensão de saída é numericamente igual à soma de V1 e V2, porém o sinal é negativo devido ao uso de entrada inversora.

Se for necessário obter as somas de V1 e V2 com o sinal correto, pode-se usar um amplificador inversor com ganho 1 após o somador. (Figura a seguir)

Deve-se tomar cuidado quando uma das tensões a ser somada for negativa, pois a corrente desta entrada será diminuída das demais. (Figura a seguir)

O circuito somador pode ser constituído com qualquer número de entradas. (Figura a seguir)

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