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Amplificadores Operacionais
Aniela Oliva Pereira Lobo
Fundação Universidade Federal de Rondônia, Núcleo de Ciência e Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica - DEE Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica - 5 o^ Período - Matrícula: 200820855 - Disciplina de Eletrônica II
Resumo—Este relatório visa apresentar o conhecimento adquirido em laboratório a respeito de amplificadores opera- cionais, onde observamos no osciloscópio o comportamento do sinal de entrada e do sinal de saída de um amplificador e suas figuras de Lissajous.
Index Terms—Amplificador Operacional, Sinal de Entrada e Saída, Figuras de Lissajous.
I. INTRODUÇÃO TEÓRICA
O
S Amplificadores Operacionais, popularmente conheci- dos como Amp-op é um dispositivo eletrônico consti- tuído de um arranjo complexo de resistores, capacitores e diodos. Representa um elemento de circuito ativo projetado para executar operações matemáticas de adição, subtração, multi- plicação, divisão, diferenciação, integração e outras. Os primeiros amplificadores foram desenvolvidos na década de 40 através de válvulas, as características destes primitivos Amp-op eram bastante ruins. Com o surgimento do transistor na década de 50 foi possível evoluir o amplificador com características bastante razoáveis. Porém foi quando na década de 60 com o surgimento dos circuitos integrados que o amplificador operacional teve sua maior evolução onde no ano de 1963 a FAIRCHILD SEMICONDUCTOR ©R lançou o seu primeiro Amp-op monolítico 702. Também como tudo que se desenvolve o 702 apresentou uma série de problemas, tais como:
- Baixa resistência de entrada;
- Baixo ganho;
- Alta sensibilidade a ruídos;
- Necessidade de alimentação diferenciada(− 6 V e +12V ). Foi então que a própria FAIRCHILD, com apoio de Robert Widlar e sua equipe lançou em 1965 o conhecido 709. Este último foi considerado o primeiro amplificador "con- fiável"lançado no mercado. A seguir a mesma equipe projetou o famoso 741 , o qual foi lançado pela FAIRCHILD em 1968 e até hoje estes dois AOP’s ocupam posição de destaque no segmento. Evidentemente como os avanços tecnológicos não param hoje temos diversos tipos de AOP’s com carac- terísticas superiores às do 709 e 741 , por exemplo, LF 351 (NATIONAL) e CA 3140 (RCA) etc. Existem inúmeros de fabricantes de circuitos integrados no mundo. Cada fabricante possui uma codificação diferente para identificar seus produtos. Um mesmo integrado pode ser produzido por vários fabricantes diferentes. Sendo assim é importante que o projetista conheça os diferentes códigos para poder identificar o fabricante e buscar o manual do mesmo (DATABOOK) do mesmo. Na tabela a seguir temos a
Fabricante Código FAIRCHILD μA 741 NATIONAL LM 741 MOTOROLA M C 1741 RCA CA 741 TEXAS SN 741 SIGNETICS SA 741 SIEMENS T BA221(741) Tabela I CÓDIGO DE FABRICANTES E FOLHA DE DADOS
codificação usada pelos fabricantes mais conhecidos no mundo e principalmente no Brasil. Como exemplo tomamos o 741. Os amp-ops estão comercialmente disponíveis em circuitos integrados encapsulados de diversas formas. A figura 1 apre- senta um encapsulamento típico de um amp-op.
Figura 1. Amplificador Operacional Típico
Constituído de um encapsulamento de oito pinos em duas linhas. O pino ou terminal 8 não é utilizado, e os terminais 1 e 5 são de pouco interesse para nós. Os cinco terminais imporatantes são:
- Entrada inversora, pino 2.
- Entrada não-inversora, pino 3.
- Saída, pino 6.
- Alimentação positiva, pino 7.
- Alimentação negativa, pino 4. A figura 2 mostra claramente as identificações de cada pino. As entradas são marcadas com menos (-) e mais (+) para especificar as entradas inversora e não-inversora, respectiva- mente. Sendo um elemento ativo, o amp-op deve ser alimentado por uma fonte de tensão. O conceito de realimentação é fundamental para a com- preensão dos circuitos com amp-op. Uma realimentação nega-
Figura 2. Configuração de Pinagem Amp-op 741
tiva é feita quando a saída é alimentada para o terminal nega- tivo do amp-op. Quando existe uma caminho de realimetação da saída para a entrada, a razão da tensão de saída para a tensão de entrada é chamada de ganho de malha fechada. Como resultado da realimentação negativa, pode ser mostrado que o ganho de malha fechada é quase insensível ao ganho de malha aberta A do amp-op. Por essa razão, os amp-ops são utilizados em circuitos com caminhos de realimentação. Principais características dos Amplificadores Operacionais:
- Resistência de entrada infinita;
- Resistência de saída nula;
- Ganho de tensão infinito;
- Resposta de freqüência infinita;
- Insensibilidade à temperatura. Configurações dos Amplificadores Operacionais:
- Amplificador Inversor:
Figura 3. Amplificador Inversor
Inicialmente vamos fazer um reconhecimento dos componentes utilizados no circuito. Temos o gerador de sinais VE que está alimentando o circuito. Temos um Amp-op com um ganho A qualquer (note as duas entradas inversora e não inversora e a saída) e demais características que a principio podemos considerar ideais. A saída Vo do Amp-op é a própria saída do circuito representa por Vout. Temos ainda dois resistores R 1 e RF , note que R 1 está ligando eletricamente o sinal de entrada(VE )com a entrada inversora do Amp-op, RF está fornecendo um caminho elétrico entre a saída (Vout) e a entrada inversora do Amp-op.
- Amplificador Não Inversor
Figura 4. Amplificador Não Inversor
Sabemos que um sinal negativo corresponde a uma inversão de fase, ou seja, graficamente ele corresponde a um espelhamento em relação ao eixo x, isto é no tempo o sinal da saída é invertido em relação ao sinal de entrada. É pressuposto também que o ganho de tensão do amplificador operacional nunca sature, ou seja, ele sempre trabalhará na região linear onde a expressão A(V+ - V−) é válida. Esta observação é valida para todos os circuitos de Amp-op com modo de operação de realimentação negativa. Na verdade, um Amp-op quando usado para amplificar sinais, sempre é empregado com algum tipo de realimentação entre o sinal e sua saída e os sinais em suas entradas, no nosso exemplo no circuito mostrado no inicialmente temos um resistor RF que executa esse papel que é fechar a ligação entre a saída e a entrada. Sempre que há um caminho fechado entre saída e entrada chamamos de circuito de malha fechada. Um Amp-op quando é utilizado para amplificar sinais sempre é empregada a condição de malha fechada. Podemos dizer de fato que o Amp-op em malha aberta tem um ganho infinito. Desta forma o comportamento do circuito se dá através de características de componentes externos.
- Amplificador Somador
Figura 5. Amplificador Somador
Amplificador somador tem a finalidade somar dois ou mais valores de entradas analógicas ou digitais em tempo real. Exemplo pode-se somar uma rampa, uma senoíde e um nível contínuo instantaneamente em tempo real.
vi = f (t) e a tensão de saída vo = f (t). Foram fotografadas as formas de onda. Analisamos se a tensão de saída estava saturada e se ela estava invertida ou não com relação à tensão de entrada; Prosseguindo com o experimento, utilizamos o modo x − y (x = vi, y = vo) do osciloscópio. Fotografamos as formas de onda, onde observamos corretamente os eixos x − y. Relacionado a primeira montagem, foi realizada, para cada circuito, o calibre do gerador de funções na função senoidal, para a frequência de 100 Hz e uma tensão de pico de 2 V p. A primeira configuração foi o circuito Comparador Inversor. Como mostra a Figura 9.
Figura 9. Circuito Comparador Inversor
A segunda montagem para os valores inicias da fonte foi o circuito Comparador Não Inversor, como mostra a Figura 10.
Figura 10. Circuito Comparador Não Inversor
Prosseguindo com essa parte do experimento foi feita a montagem do circuito Amplificador Inversor, como apresenta na Figura 11.
Figura 11. Circuito Amplificador Inversor
Concluindo as montagens para os primeiros valores do gerador de função, foi feita a configuração do circuito Am- plificador Não Inversor, como mostra a Figura 12.
Figura 12. Circuito Amplificador Não Inversor
Após a primeira configuração do gerador de funções, foi feito um novo ajuste na função triangular, numa frequência de 100 Hz e uma tensão de pico de 10 V p. A primeira configuração nessa montagem foi o circuito Comparador com Histerese Inversor, como apresenta a Fig.
Figura 13. Circuito Comparador com Histerese Inversor
A segunda montagem é a configuração Comparador com Histerese Não Inversor, como mostra a Figura 14.
Figura 14. Circuito Comparador com Histerese Não Inversor
Para a configuração Multivibrador, não é necessário o gerador de funções. Medimos com o osciloscópio a tensão de entrada e+^ e a tensão de entrada e−.
Figura 15. Circuito Multivibrador
Após a medição, acrescentamos na configuração um diodo e um resistor de 1 kΩ, como mostra a Fig. 16.
Figura 16. Circuito Multivibrador com Diodo
V. RESULTADOS
Obtivemos na primeira parte do experimento os seguintes resultados: Para o Amplificador Comparador Inversor: Sinal de entrada Vi = 1 , 8 Vp e sinal de saída Vo = 14 , 4 Vp.
Figura 17. Amplificador Comparador Inversor
Função de Transferência: Figura de Lissajous.
Figura 18. Figura de Lissajous do Amplificador Comparador Inversor
Para o Amplificador Comparador Não Inversor: Sinal de entrada Vi = 1 , 7 Vp e sinal de saída Vo = 14 , 4 Vp.
Figura 19. Amplificador Comparador Não Inversor
Função de Transferência: Figura de Lissajous.
Figura 20. Figura de Lissajous do Amplificador Comparador Não Inversor
Para o Amplificador Inversor: Sinal de entrada Vi = 0 , 61 Vp e sinal de saída Vo = 8 Vp.
Figura 21. Amplificador Inversor
Função de Transferência: Figura de Lissajous θ = 180◦.
Figura 28. Figura de Lissajous do Amplificador Comparador com Histerese Não Inversor
Amplificador Multivibrador: Sinal de entrada Vi = Não possui e sinal de saída Vo = 14 Vp. e(+) = 4Vp FORMA DE ONDA: Quadrada; e(−) = 4Vp FORMA DE ONDA: Triangular, mas parecida com a dente de serra;
Figura 29. Amplificador Multiplicador
Função de Transferência: Figura de Lissajous.
Figura 30. Figura de Lissajous do Amplificador Multiplicador
Amplificador Multivibrador com Diodo: Sinal de entrada Vi = Não possui e sinal de saída Vo = 17 Vp Superior e Vo = 9 Vp Inferior. e(+) = 10 Vp(Superior) FORMA DEONDA: Quadrada; e(+) = − 5 Vp(Inferior) FORMA DE ONDA: Quadrada. e(−) = 7Vp(Superior) FORMA DE ONDA: Dente de serra; e(−) = − 6 Vp(Inferior) F.ONDA: Dente de serra.
Figura 31. Amplificador Multiplicador com Diodo
Função de Transferência: Figura de Lissajous.
Figura 32. Figura de Lissajous do Amplificador Multiplicador com Diodo
VI. DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
Com o experimento, podemos concluir a importancia dos amplificadores operacionais, onde observamos que são instru- mentos de alto desempenho: alto ganho, alta impedância de entrada, baixa impedância de saída e grande resposta em frequência. Foram criados para implementar computadores analógicos, executando operações matemáticas com valores de tensões como operandos e resultados. Podem ser construídos com transístores ou válvulas. São muito usados em instrumen- tação e equipamentos eletrônicos em geral.
REFERÊNCIAS [1] ALEXANDER, K. Charles; SADIKU, N. O. Matetthew. 2008 "Funda- mentos de circuitos elétricos", LTC 3a^ Edição [2] ttp://www.eletricanews.com.br/downloads/aop.pdf , Eletrica News, 03 de Setembro de 2010. [3] ttp://algol.dcc.ufla.br/ giacomin/Com145/AmpO p.pdf, Apostila de Eletrônica, 03 de Setembro de 2010.
