ESCOLA DE ENGENHARIA DE PIRACICABA
Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba
Curso de Engenharia Mecânica
Turma 1 – Noturno
Amplificador operacional
Relatório de eletrônica Industrial
Piracicaba
21/05/2011
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amplificador operacional, Notas de estudo de Engenharia Mecânica
Introdução teórica e experimento prático sobre amplificadores operacionais
Tipologia: Notas de estudo
2011
1 / 15
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ESCOLA DE ENGENHARIA DE PIRACICABA
Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba
Curso de Engenharia Mecânica
Turma 1 – Noturno
Amplificador operacional
Relatório de eletrônica Industrial
Piracicaba
ESCOLA DE ENGENHARIA DE PIRACICABA
Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba
Curso de Engenharia Mecânica
Turma 1 – Noturno
Amplificador operacional
Relatório de eletrônica Industrial
Relatório da Aula Prática de Circuitos Retificadores
apresentado para avaliação da Disciplina Eletrônica
Industrial do 7º semestre do Curso de Engenharia
Mecânica da Fundação Municipal de Ensino de
Piracicaba sob orientação do Prof. Marco Antônio
Bergamaschi
Piracicaba
1.0 Objetivo
Este trabalho tem o objetivo de apresentar as principais características dos
Amplificadores Operacionais.
2.0 Fundamentos teóricos
2.1 Amplificador Operacional
Os amplificadores operacionais,podem ser utilizados nas mais diversas aplicações práticas como osciladores, amplificadores de corrente contínua e alternada para sensores, instrumentos, como filtro de tonalidade comutadores de nível etc. Um dos mais populares amplificadores operacionais disponível na forma de circuito integrado é o 741.
Figura 1: Simbologia Amplificador operacional
Um amplificador operacional consiste basicamente num amplificador de tensão, ou seja podemos obter em sua saída uma variação de tensão muito maior que a variação de tensão aplicada em suas entradas. Os amplificadores operacionais possuem duas entradas: uma entrada inversora marcada com o sinal (-), e uma entrada não inversora marcada com o sinal (+). Quando a variação de tensão aplicada na entrada (+), se faz num sentido, a variação da tensão na saída do circuito se faz no mesmo sentido. Por outro lado, ao ser aplicado o sinal de entrada inversora (-), a variação de tensão na saída se faz em sentido contrário à da tensão de entrada.
Figura 2: Sinal aplicado de entrada inversora
Como em condições normais o ganho dos amplificadores operacionais é muito elevado, na amplificação pode ocorrer distorções prejudiciais à finalidade do projeto. Nestas condições, com a finalidade, de se controlar o ganho do amplificador e também de reduzir a distorção, é utilizado um circuito externo de realimentação negativa, conforme o mostrado na figura 3.
Figura 3: Circuito externo de realimentação negativa
O ganho do amplificador será então pela relação existente entre os resistores R e R2. Normalmente, para os amplificadores tipo 741, o ganho sem realimentação é da ordem de 100000. Nas aplicações prática entretanto, a faixa de ganho é fixada entre 1 e
2. Polarização
Na figura 4 temos uma configuração denominada como terra virtual. Nesta configuração, a entrada não inversora é mantida ligada à terra, e a entrada inversora é mantida para realimentação negativa que fixa o ganho do diapositivo.
Para o circuito da figura 5 ocorrem entretanto alguns problemas que em certas aplicações devem ser eliminados. Este problema consiste no fato de que a senóide obtida na saída não é simétrica em relação ao potencial de referência (0 V). Na verdade, se designarmos a entrada do circuito, veremos que na ausência de sinal não teremos uma tensão nula de saída mas esta tenderá a um valor positivo considerável. Em suma, "em repouso" a tensão de saída não é nula, como deveria ser. Este problema é causado pela necessidade de uma corrente de polarização de base na entrada. A entrada de um amplificador operacional consiste em um par diferencial. Para que este par funcione corretamente é preciso que a corrente de emissor dos transistores seja constante. Se uma das entradas estiver diretamente ligada à terra como no circuito tomado como exemplo, haverá um desequilíbrio entre as correntes de emissor e o resultado será esta tendência do sinal de saída se deslocar para valores positivos. Esse efeito pode ser compensado pela utilização de resistor ligado entre a entrada não inversora e o terra, conforme mostra na figura 6. O valor deste resistor deve ser equivalente ao obtido pela a ligação de R1 em paralelo com R2. Chamamos de R3 este componente, podemos calcular então seu valor pela expressão:
Figura 6: Resistor ligado entre a entrada não inversora e o terra.
Para o circuito este resistor é da ordem de 99 k.
Figura 7: Redução do efeito da corrente “offset de entrada”
Com a utilização deste resistor, as tensões nas duas entradas se mantém próximas e com isso, na ausência de sinal de entrada a tensão de saída tende a 0. Dizemos "tende à zero" porque, os transistores não podem Ter exatamente as características elétricas. Há portanto uma tendência da tensão de saída fugir de "0" na ausência de sinal. Isso entretanto pode ser facilmente compensado por um ajuste externo denominado "Off-set Voltage Adjustement". Na figura 8 temos a ligação de um resistor variável que pode ser usado para esta finalidade.
Figura 8: Circuito com ajuste externo
3. Bandwidth
De posse do amplificador tomado como exemplo no item anterior, supomos que a senóide aplicada à sua entrada tenha uma freqüência de 100 kHz. Ao observamos a forma de onda obtida na saída veremos que ele está muito longe de ser uma senóide. Na verdade a distorção introduzida faz com que ela tende a uma forma triangular, conforme mostra a figura 9.
A curva I mostra o ganho sem realimentação. Verifique que este ganho cai rapidamente à medida que a freqüência aumenta. Esta curva mostra uma atenuação de 20 dB por oitava, a qual tem por origem um capacitor de 30 pF existente no interior do próprio integrado. A curva II mostra que, para um ganho de 100 vezes, este se mantém constante até a freqüência de 10 kHz, a partir do que cai rapidamente.
4. Correntes e tensões de saída
Os amplificadores operacionais fornecem uma tensão de saída, se bem que existem tipos destinados a fornecer uma corrente de saída. Assim, se a saída de um amplificador operacional for curto-circuitada, podem circular pelo componente correntes muito elevadas, às quais podem causar a sua destruição. Muitos amplificadores operacionais possuem uma proteção interna contra curtoscircuitos de modo que sua saída pode ficar indefinidamente curto-circuita com a terra. Para o caso do 741, existe uma proteção que limita a corrente de saída em 25 mA.
5. Operação Diferencial
O que vimos no exemplo de aplicação foi a operação do amplificador de modo que o sinal como referência a terra. Em alguns casos o sinal a ser aplicado é feito entre as duasentradas do amplificador, ou seja, deseja-se aplicar na realidade uma diferença de tensõespara ser amplificada. Dizemos nestas condições que o amplificador opera de mododiferencial (figura 11). Na mesma figura 11, temos as fórmulas que permitem encontrar os valores dos resistores para esta configuração.
Figura 11: Fórmulas para operação diferencial
Na operação diferencial, se aplicarmos as duas entradas, duas ondas senoidais de mesma amplitude, conforme mostra a figura 12, o resultado será um "cancelamento" de modo que o amplificador as ignorará, mantendo nula a tensão de saída. Dizemos nestas condições que o amplificador opera "de modo comum" e uma característica importante a ser considerada num amplificador é de quanto ele é capaz de ignorar as duas "ondas" de entrada aplicadas. A maneira segundo a qual os sinais de modo comum são rejeitados é expressan pela relação CCRR (Commom Mode Rejection Ratio) sendo tipicamente de 90 dB para o caso do 741.
Figura 12: Ondas senoidais de mesma amplitude aplicadas na entrada
6. Amplificador operacional 741
O amplificador operacional 741 pode ser obtidos de diversos fabricantes, os quais mudam eventualmente sua denominação, acrescentando prefixos indicativos de sua origem, ou então fornecendo-os com novas denominações. Em todos os casos entretanto, os tipos podem ser substituídos entre si, sem problemas. Na figura 13, temos dois invólucros mais comuns para o 741. São as seguintes as suas principais características elétricas:
A o - Ganho sem realimentação (Open - Loop Voltage Gain) - 100 dB. Z in - impedância de entrada (Input Impedance) - 1 M ohms. Z o - impedância de saída (output impedance) - 150 ohms I b - corrente de polarização (inmut bias current) 200 mA. V smax - máxima tensão de alimentação - 18 - 0 -18 V. V imax - máxima tensão de entrada - 13 - 0 - 13 V. V omax - máxima tensão de saída - 14 - 0 - 14 V. CMMR - Rejeição de modo comum - 90 dB. f T - freqüência de transição - 1 MHz. S - velocidade da variação de tensão (slew rate) - 1 V/ms.
3.2 – Procedimento
Utilizando o software MultiSim montar o circuito conforme figura 14. Atentar para os valores dos componentes e das tensões de entrada.
Figura 14: Circuito Amplificador
Com o osciloscópio XSC1 verificar a tensão senoidal de entrada e saída do
circuito.
Com o multímetro XMM1 e XMM2 medir a tensão de entrada e saída.
4.0 Resultados
Conforme figura 15 a tensão de entrada é 1,414V utilizando a fórmula de ganho de tensão pode-se calcular a tensão de saída teórica.
(a)
(b) (c)
Figura 15: (a) Medição do osciloscópio, (b) Medição tensão de entrada e (c) Medição tensão de saída