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Relatório sobre AmpOp realizado em conjunto com algumas experiências.
Tipologia: Provas
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campus de guaratinguetá DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
Data: 02/03/ Disciplina: Laboratório Eletrônica II. Professor: Rubens Alves Dias. Alunos: Leandro Rodrigues Urbano nº 09190- Marco Aurélio da Cruz Lopez nº 09233-
O objetivo fundamental das atividades realizadas neste laboratório é a familiarização com um componente fundamental para a eletrônica: o amplificador
operacional. Propõe-se, portanto, a realização de experimentos clássicos envolvendo amplificadores operacionais. Pretende-se ainda a familiarização com a leitura e interpretação de folhas de dados (data sheet) e catálogos (data book) de componentes eletrônicos.
2.1 Amplificador De um ponto de vista conceitual, a mais simples das tarefas no processamento de sinal é a amplificação de sinal. A necessidade de amplificações existe porque os transdutores fornecem sinais que chamamos de “fracos”, isto é, na faixa de microvolt (μV) ou milivolt (mV), e que possuem baixa energia. Esses sinais são muito pequenos para um processamento confiável, que se tornaria muito mais fácil se a amplitude do sinal fosse maior. O bloco fundamental que realiza essa operação é o amplificador de sinal (SEDRA; SMITH, 2000).
2.2 Amplificador Operacional
Dentre os circuitos integrados lineares, o amplificador operacional (AmpOp) destaca-se pela sua versatilidade na concepção de circuitos eletrônicos e a sua designação foi decorrente de suas primeiras aplicações na computação analógica, ao realizar operações matemáticas de soma, multiplicação, integração, diferenciação, entre outras. Entretanto, a utilização dos amplificadores operacionais, nos circuitos eletrônicos, estende-se às fontes de alimentação estabilizadas, geradores de funções, controle de servos-mecanismos, conversores digital-analógico e analógico-digital, amplificadores de sinais, filtros ativos, instrumentação, entre outros.
2.3 Realimentação negativa, Terra Virtual e Amplificador Inversor
O Amplificador Operacional apresenta um ganho de tensão muito grande e instável, o que proporcionaria significativas limitações em seu uso. Entretanto, trazer uma parcela do sinal de saída para a entrada consiste num procedimento que garante
Dessa forma o potencial do nó A (Figura 1) será zero, sem estar fisicamente ligado ao terra, proporcionando um ponto de referência conhecido com terra virtual. Diante do exposto, retomando-se à equação (1) e assumindo V (^) e igual a zero chega-se
a equação (4), a qual possui um sinal negativo (amplificador inversor) e o ganho é dado pela relação entre R (^) f e R 1 (ganho em malha fechada – A (^) vcl , closed loop),
proporcionando uma tensão de saída (V 0 ) e função da tensão de entrada (V 1 ) com
maior estabilidade e ganho, conforme mencionado, dependente de componentes externos ao circuito integrado.
2.4 Amplificador não-inversor
A Figura 2 apresenta o esquema elétrico de um amplificador não-inversor. Figura 2 – Amplificador não-inversor
Por divisão de tensão sabe-se que:
Pelo conceito de terra virtual:
Portanto:
2.5 Slew-Rate
Este fenômeno está ligado à faixa de passagem à plena potência. Quando num operacional é injetado um sinal senoidal de alta freqüência, de amplitude superior a certo valor prefixado, observa-se na sua saída uma onda triangular. A inclinação desta forma de onda triangular é o “slew-rate”. Esta limitação tem origem nas características de construção do dispositivo e está diretamente ligado a um elemento, o chamado capacitor de compensação de fase e à máxima taxa com que este pode ser carregado. Este capacitor, que nos amplificadores operacionais monolíticos apresenta tipicamente 30, conta com fontes de corrente de cerca de 30disponíveis para carregá-lo. Assim, dependendo da amplitude do sinal desejado na saída, o amplificador operacional “não consegue acompanhar o sinal de
3.3 Amplificador Inversor
A montagem de um circuito amplificador inversor com ganho igual a 20 (A (^) VCL )
a partir de um LM 747 foi proposta. A proposta incluía ainda uma alimentação CC simétrica e igual a 11 V para o amplificador operacional e uma alimentação CA senoidal na entrada inversora do mesmo de amplitude 100 mV e freqüência igual a 10 kHz. Conforme visto anteriormente, a relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada em amplificadores inversores é dada pela equação (4). Portanto, para um ganho de 20, deve-se utilizar uma combinação de resistores que respeite essa equação. A Figura 4 mostra o projeto usado, com os valores de resistores escolhidos.
Figura 4 –Amplificador Inversor
Testou-se o projeto para variadas cargas na saída do circuito, calculando-se os respectivos ganhos.
Cargas (^) Tensão (V 0 ) Ganho (A (^) VCL ) vazio 1,78 V 18, 100 kΩ 1,76 V 18, 10 kΩ 1,76 V 18, 4,7 kΩ 1,76 V 18, 2,2 kΩ 1,78 V 18, 1 kΩ 1,78 V 18,
O ganho esperado para o projeto era 20. Obteve-se 18,44 de média nos ganhos para todas as cargas usadas.
3.4 Amplificador não-inversor
A montagem de um circuito amplificador não-inversor com ganho igual a 4 (AVCL ) a partir de um LM 747 foi proposta. A proposta incluía ainda uma alimentação
CC simétrica e igual a 11 V para o amplificador operacional e uma alimentação CA senoidal na entrada não-inversora do mesmo de amplitude 100 mV e freqüência igual a 10 kHz. Conforme visto anteriormente, a relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada em amplificadores não-inversores é dada pela equação (7). Portanto, para um ganho de 4, deve-se utilizar uma combinação de resistores que respeite essa equação. A Figura 5 mostra o projeto usado, com os valores de resistores escolhidos.
Figura 5 –Amplificador não-inversor
Testou-se o projeto para variadas cargas na saída do circuito, calculando-se os respectivos ganhos.
Cargas (^) Tensão (V 0 ) Ganho (A (^) VCL ) vazio 416 mV 4, 100 kΩ 416 mV 4, 10 kΩ 418 mV 4, 4,7 kΩ 422 mV 4, 2,2 kΩ 424 mV 4, 1 kΩ 426 mV 4,
O ganho esperado para o projeto era 4. Obteve-se 4,20 de média nos ganhos para todas as cargas usadas.
3.4 Acoplamento entre amplificadores
a) V1 = 1,0 V (CC); V2 = 3,0 (CC)
b) V1 = 0,8 V (CC); V2 = 300 mV (pico) e f = 10 kHz (senoidal)
c) V1 = 2V (pico) e f = 1 kHz (senoidal); V2 = 1 V (CC)
Os resultados encontrados na prática foram coerentes com os esperados pela teoria. Na primeira atividade, percebeu-se que mesmo com o potencial zero ligado nas entradas, tem-se uma pequena tensão na saída do AmpOp. Isso é encontrado em diversos componentes eletrônicos e tem diversas explicações que variam desde a interferência da temperatura do ambiente até a própria confecção dos componentes.
Com relação ao slew-rate, o valor medido () foi maior que o valor catalogado (), o que revela um bom desempenho do componente, pois quanto maior o slew-rate, mais suave é a triangulação do sinal de saída do amplificador. Tanto o amplificador inversor, quanto o amplificador não-inversor proporcionaram ganhos conforme o esperado. Em ambos os casos, aplicou-se uma tensão de amplitude 96 mV na entrada ao invés de 100 mV, por limitações de exatidão no manuseio do gerador de sinais. Na penúltima atividade, o ganho do acoplamento entre os amplificadores apresentou uma diferença do valor esperado de 14 %. Ainda assim, pode-se considerar que o circuito funcionou conforme esperado, pois o erro se deve à propagação das diferenças nos ganhos de cada uma dos amplificadores isoladamente. Por fim, nas simulações feitas no pspice, verificou-se a funcionalidade do amplificador da diferença. A escolha dos componentes que fizeram parte do circuito foi adequada para se ter na saída o sinal desejado (Vout = 3V2 – 5V1).
SEDRA, A. S.; SMITH, K. C.. Microeletrônica. Quarta Edição. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2000. 1270p.
LOPES, Roseli de Deus. Amplificador Operacional. Disponível em: <http:// www.lsi.usp.br/~roseli/www/psi2307_2004-Teoria-7-AmpOp.pdf>. Acesso em: 21 mar. 2011.
