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Eletrônica Aplicada Prof Flávio da Silva Vitorino Gomes Amplificadores Operacionais O ampop básico Amplificador operacional ampop é um amplificador diferencial de alto ganho com uma alta impedância de entrada geralmente em M e baixa impedância de saída menos de 100 Observe que o ampoop tem tuas entradas e uma saída O ampop básico Entrada Nãoinversora Entrada Inversora Amplificador ideal Ganho ampop Ampops podem ser conectados em configurações de malha aberta ou de malha fechada Malha aberta uma configuração sem realimentação do retorno da saída do ampop à sua entrada O ganho do ampop de malha aberta geralmente excede 10000 Malha fechada uma configuração que tem um caminho de realimentação negativo do retorno de saída do ampop à sua entrada Realimentação negativa reduz o ganho e melhora algumas características do ampop O ganho da malha fechada é sempre inferior ao ganho da malha aberta Alimentação Os amplificadores operacionais são comumente representados pela simbologia abaixo na qual os terminais de alimentação são indicados por V e V Esses valores representam os valores máximos positivo e negativo que o dispositivo poderá fornecer Vantagens da Malha Fechada Maior faixa de frequência de sinal de entrada Diminuição dos efeitos de nãolinearidade do opamp Menor sensibilidade a variação da temperatura Menor sensibilidade a ruído Grande versatilidade na implementação de circuitos Facilidade na análise e projeto de aplicativos Ampop inversor O sinal de entrada é aplicado à entrada inversora A entrada não inversora está aterrada O resistor de realimentação Rf está conectado da saída à entrada negativa inversora fornecendo realimentação negativa Terra virtual Terra virtual um termo utilizado para descrever a condição na qual Vi 0 V na entrada inversora quando a entrada não inversora está aterrada O ampop tem uma impedância de entrada tão alta que mesmo com um ganho alto não há corrente ao longo do plugue de entrada inversora por essa razão toda a corrente de entrada passa pelo Rf Circuitos com ampop comuns Amplificador inversor Amplificador não inversor Seguidor unitário Buffer Amplificador somador Circuitos em cascata Circuito DigitalAnalógico Integrador Diferenciador Amplificador Inversor Exemplo Determine vo in the op amp circuit shown in Fig 514 Solution Applying KCL at node a fracva vo40 kOmega frac6 va20 kOmega va vo 12 2va Rightarrow vo 3va 12 But va vb 2 V for an ideal op amp because of the zero voltage drop across the input terminals of the op amp Hence vo 6 12 6 V Notice that if vb 0 va then vo 12 as expected from Eq 59 Amplificador Nãoinversor Seguidor unitário buffer Isolamento entre estágios Casamento de Impedância Saída de alta impedância e Entrada de baixa impedância Amplificadores inversornão inversor 1 1 V R R V f o Amplificador inversor Amplificador não inversor 1 1 1 R V R V f o Amplificador somador O amplificador somador apresenta diversas entradas e sua saída é a soma ponderada destas Exemplo Circuitos em Cascata Uma conexão em cascata é uma conexão de dois ou mais ampops onde a saída de um sistema é a entrada do próximo Exemplo Conversor Digital Analógico Valores típicos de tensão 0 5V V1V2V3 e V4 Exemplo Modelagem de Sistemas Elétricos Função de Transferência ft Fs Modelagem de Sistemas Elétricos Função de Transferência Modelagem de Sistemas Elétricos Função de Transferência Dado o circuito elétrico Modelagem de Sistemas Elétricos Função de Transferência Uso de Impedância Complexa Integrador A saída é a integral da entrada i e ela é proporcional à área sob a forma de onda da entrada Esse circuito é útil nos circuitos de filtro passabaixas e circuitos condicionados por sensores v t dt RC vo t 1 1 Integrador Diferenciador O diferenciador tira o derivado da entrada Esse circuito é útil nos circuitos de filtro passaaltas dt RC dv t t vo 1 Diferenciador Parâmetros de offset CC Mesmo quando a tensão de entrada é zero um ampop pode ter uma tensão offset de saída Os seguintes itens podem causar esse offset o Tensão de offset de entrada o Corrente de offset de entrada o Tensão de offset de entrada e corrente de offset de entrada o Corrente de polarização de entrada Tensão de offset de entrada VIO A folha de dados para um ampop indica uma tensão de offset de entrada VIO O efeito da tensão de offset de entrada pode ser calculado com 1 1 R R R V V f IO ooffset Corrente de offset de entrada IIO Se há uma diferença entre as correntes de polarização CC geradas pela mesma entrada aplicada isso também causa uma tensão de offset de saída Corrente de offset de entrada IIO A corrente de offset de entrada IIO está especificada nos dados para um ampop Offset total decorrente da VIO e da IIO Ampops podem ter uma tensão de offset de saída decorrente da VIO e da IIO A tensão de offset de saída total é igual à soma dos efeitos de ambas IO o IO o o V offset decorrente I V offset decorrente V V offset Corrente da polarização de entrada IIB Um parâmetro que é relacionado à corrente de offset de entrada IIO é chamado de corrente da polarização de entrada IIB As correntes de polarização de entrada são calculadas utilizandose A corrente de polarização de entrada total é a média de duas 2 IO IB IB I I I 2 IO IB IB I I I 2 IB IB IB I I I Parâmetros de frequência Um ampop é amplificador com alto ganho e ampla largura de banda Os fatores seguintes afetam a largura da banda do ampop o Ganho o Taxa de inclinação Ganho e largura de banda A alta resposta em frequência do ampop é limitada por seus circuitos internos O gráfico mostrado é para um ganho de malha aberta AOL ou AVD Isso significa que o ampop está operando com o mais alto ganho possível sem resistor com realimentação No modo de malha aberta um ampop tem uma largura de banda estreita A largura da banda aumenta no modo de malha fechada mas o ganho é inferior Exemplo Determine a frequência de corte de um ampop com valores especificados de B1 1 MHz e AVD 200 VmV Solução Uma vez que f1 B1 1 MHz é possível utilizar a Equação 1023 para calcular fC f1 AVD 1 MHz 200 VmV 1 106 200 103 5 Hz Taxa de inclinação SR Taxa de inclinação SR a taxa máxima à qual um ampop pode mudar sua saída sem distorção A taxa de inclinação é listada nas folhas de dados como taxa Vs in V s Δt ΔV SR o Máxima Frequência de Sinal A taxa de inclinação determina a frequência mais alta do ampop sem distorção onde K ou Vp é o pico de tensão Exemplo Para o sinal e o circuito da Figura 1048 determine a frequência máxima que pode ser utilizada A taxa de inclinação do ampop é SR 05 Vμs Solução Para um ganho igual a ACL Rf R1 240 kΩ 10 kΩ 24 a tensão de saída fornece K ACLVi 24002 V 048 V Equação 1025 ω SR K 05 Vμs 048 V 11 106 rads Dados gerais do ampop Outras taxas de ampop encontradas em folhas de dados são o Especificações absolutas o Características elétricas o Desempenho Especificações absolutas Estas são as espeficações máximas comuns para o ampop Especificações absolutas Ampop 741 22 transistores Características elétricas Observe essas taxas são para condições específicas de circuito e elas frequentemente incluem valores máximos mínimos e típicos CMRR Uma taxa que é única aos ampops é a CMRR ou razão de rejeição de modo comum Pelo fato de o ampop ter duas entradas que são opostas na fase entrada inversora e entrada não inversora qualquer sinal que seja comum a ambas as entradas será cancelado Este parâmetro do ampop é tipicamente 90 dB mas pode chegar a 70 dB Visto que 90 dB equivale a 3162278 o ampop amplifica a diferença das entradas acima de 30000 vezes mais do que amplifica o ruído entrada comum Desempenho do ampop A folha de dados também incluirá gráficos que indicam o desempenho do ampop sob uma ampla gama de condições Filtros ativos Adicionar capacitores aos circuitos ampop fornece controle externo das frequências de corte O filtro ativo do ampop tem ganho de frequências de corte controlável o Filtro passabaixas o Filtro passaaltas o Filtro passabanda Filtros ativos ideais Filtro passabaixas de primeira ordem 1 1 2 1 πR C fOH 1 1 R R A f v A frequência de corte superior e o ganho de tensão são dados por Filtro passabaixas segunda ordem Filtro passaaltas de primeira ordem 1 1 2 1 fOL πR C A frequência de corte é determinada por Filtro passaaltas segunda ordem Há duas frequências de corte a superior e a inferior Elas podem ser calculadas utilizandose as mesmas fórmulas de frequências de corte passabaixas e de corte passaaltas nas devidas seções Filtro passabanda de primeira ordem Exercícios A Sedra e K Smith Microeletrônica Pearson Prentice Hall 5ª edição 2007 Capítulo 10 R L Boylestad e L Nashelsky Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos Pearson Prentice Hall 11ª edição 2013 Capítulo 10 e 11 Obrigado
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Eletrônica Aplicada Prof Flávio da Silva Vitorino Gomes Amplificadores Operacionais O ampop básico Amplificador operacional ampop é um amplificador diferencial de alto ganho com uma alta impedância de entrada geralmente em M e baixa impedância de saída menos de 100 Observe que o ampoop tem tuas entradas e uma saída O ampop básico Entrada Nãoinversora Entrada Inversora Amplificador ideal Ganho ampop Ampops podem ser conectados em configurações de malha aberta ou de malha fechada Malha aberta uma configuração sem realimentação do retorno da saída do ampop à sua entrada O ganho do ampop de malha aberta geralmente excede 10000 Malha fechada uma configuração que tem um caminho de realimentação negativo do retorno de saída do ampop à sua entrada Realimentação negativa reduz o ganho e melhora algumas características do ampop O ganho da malha fechada é sempre inferior ao ganho da malha aberta Alimentação Os amplificadores operacionais são comumente representados pela simbologia abaixo na qual os terminais de alimentação são indicados por V e V Esses valores representam os valores máximos positivo e negativo que o dispositivo poderá fornecer Vantagens da Malha Fechada Maior faixa de frequência de sinal de entrada Diminuição dos efeitos de nãolinearidade do opamp Menor sensibilidade a variação da temperatura Menor sensibilidade a ruído Grande versatilidade na implementação de circuitos Facilidade na análise e projeto de aplicativos Ampop inversor O sinal de entrada é aplicado à entrada inversora A entrada não inversora está aterrada O resistor de realimentação Rf está conectado da saída à entrada negativa inversora fornecendo realimentação negativa Terra virtual Terra virtual um termo utilizado para descrever a condição na qual Vi 0 V na entrada inversora quando a entrada não inversora está aterrada O ampop tem uma impedância de entrada tão alta que mesmo com um ganho alto não há corrente ao longo do plugue de entrada inversora por essa razão toda a corrente de entrada passa pelo Rf Circuitos com ampop comuns Amplificador inversor Amplificador não inversor Seguidor unitário Buffer Amplificador somador Circuitos em cascata Circuito DigitalAnalógico Integrador Diferenciador Amplificador Inversor Exemplo Determine vo in the op amp circuit shown in Fig 514 Solution Applying KCL at node a fracva vo40 kOmega frac6 va20 kOmega va vo 12 2va Rightarrow vo 3va 12 But va vb 2 V for an ideal op amp because of the zero voltage drop across the input terminals of the op amp Hence vo 6 12 6 V Notice that if vb 0 va then vo 12 as expected from Eq 59 Amplificador Nãoinversor Seguidor unitário buffer Isolamento entre estágios Casamento de Impedância Saída de alta impedância e Entrada de baixa impedância Amplificadores inversornão inversor 1 1 V R R V f o Amplificador inversor Amplificador não inversor 1 1 1 R V R V f o Amplificador somador O amplificador somador apresenta diversas entradas e sua saída é a soma ponderada destas Exemplo Circuitos em Cascata Uma conexão em cascata é uma conexão de dois ou mais ampops onde a saída de um sistema é a entrada do próximo Exemplo Conversor Digital Analógico Valores típicos de tensão 0 5V V1V2V3 e V4 Exemplo Modelagem de Sistemas Elétricos Função de Transferência ft Fs Modelagem de Sistemas Elétricos Função de Transferência Modelagem de Sistemas Elétricos Função de Transferência Dado o circuito elétrico Modelagem de Sistemas Elétricos Função de Transferência Uso de Impedância Complexa Integrador A saída é a integral da entrada i e ela é proporcional à área sob a forma de onda da entrada Esse circuito é útil nos circuitos de filtro passabaixas e circuitos condicionados por sensores v t dt RC vo t 1 1 Integrador Diferenciador O diferenciador tira o derivado da entrada Esse circuito é útil nos circuitos de filtro passaaltas dt RC dv t t vo 1 Diferenciador Parâmetros de offset CC Mesmo quando a tensão de entrada é zero um ampop pode ter uma tensão offset de saída Os seguintes itens podem causar esse offset o Tensão de offset de entrada o Corrente de offset de entrada o Tensão de offset de entrada e corrente de offset de entrada o Corrente de polarização de entrada Tensão de offset de entrada VIO A folha de dados para um ampop indica uma tensão de offset de entrada VIO O efeito da tensão de offset de entrada pode ser calculado com 1 1 R R R V V f IO ooffset Corrente de offset de entrada IIO Se há uma diferença entre as correntes de polarização CC geradas pela mesma entrada aplicada isso também causa uma tensão de offset de saída Corrente de offset de entrada IIO A corrente de offset de entrada IIO está especificada nos dados para um ampop Offset total decorrente da VIO e da IIO Ampops podem ter uma tensão de offset de saída decorrente da VIO e da IIO A tensão de offset de saída total é igual à soma dos efeitos de ambas IO o IO o o V offset decorrente I V offset decorrente V V offset Corrente da polarização de entrada IIB Um parâmetro que é relacionado à corrente de offset de entrada IIO é chamado de corrente da polarização de entrada IIB As correntes de polarização de entrada são calculadas utilizandose A corrente de polarização de entrada total é a média de duas 2 IO IB IB I I I 2 IO IB IB I I I 2 IB IB IB I I I Parâmetros de frequência Um ampop é amplificador com alto ganho e ampla largura de banda Os fatores seguintes afetam a largura da banda do ampop o Ganho o Taxa de inclinação Ganho e largura de banda A alta resposta em frequência do ampop é limitada por seus circuitos internos O gráfico mostrado é para um ganho de malha aberta AOL ou AVD Isso significa que o ampop está operando com o mais alto ganho possível sem resistor com realimentação No modo de malha aberta um ampop tem uma largura de banda estreita A largura da banda aumenta no modo de malha fechada mas o ganho é inferior Exemplo Determine a frequência de corte de um ampop com valores especificados de B1 1 MHz e AVD 200 VmV Solução Uma vez que f1 B1 1 MHz é possível utilizar a Equação 1023 para calcular fC f1 AVD 1 MHz 200 VmV 1 106 200 103 5 Hz Taxa de inclinação SR Taxa de inclinação SR a taxa máxima à qual um ampop pode mudar sua saída sem distorção A taxa de inclinação é listada nas folhas de dados como taxa Vs in V s Δt ΔV SR o Máxima Frequência de Sinal A taxa de inclinação determina a frequência mais alta do ampop sem distorção onde K ou Vp é o pico de tensão Exemplo Para o sinal e o circuito da Figura 1048 determine a frequência máxima que pode ser utilizada A taxa de inclinação do ampop é SR 05 Vμs Solução Para um ganho igual a ACL Rf R1 240 kΩ 10 kΩ 24 a tensão de saída fornece K ACLVi 24002 V 048 V Equação 1025 ω SR K 05 Vμs 048 V 11 106 rads Dados gerais do ampop Outras taxas de ampop encontradas em folhas de dados são o Especificações absolutas o Características elétricas o Desempenho Especificações absolutas Estas são as espeficações máximas comuns para o ampop Especificações absolutas Ampop 741 22 transistores Características elétricas Observe essas taxas são para condições específicas de circuito e elas frequentemente incluem valores máximos mínimos e típicos CMRR Uma taxa que é única aos ampops é a CMRR ou razão de rejeição de modo comum Pelo fato de o ampop ter duas entradas que são opostas na fase entrada inversora e entrada não inversora qualquer sinal que seja comum a ambas as entradas será cancelado Este parâmetro do ampop é tipicamente 90 dB mas pode chegar a 70 dB Visto que 90 dB equivale a 3162278 o ampop amplifica a diferença das entradas acima de 30000 vezes mais do que amplifica o ruído entrada comum Desempenho do ampop A folha de dados também incluirá gráficos que indicam o desempenho do ampop sob uma ampla gama de condições Filtros ativos Adicionar capacitores aos circuitos ampop fornece controle externo das frequências de corte O filtro ativo do ampop tem ganho de frequências de corte controlável o Filtro passabaixas o Filtro passaaltas o Filtro passabanda Filtros ativos ideais Filtro passabaixas de primeira ordem 1 1 2 1 πR C fOH 1 1 R R A f v A frequência de corte superior e o ganho de tensão são dados por Filtro passabaixas segunda ordem Filtro passaaltas de primeira ordem 1 1 2 1 fOL πR C A frequência de corte é determinada por Filtro passaaltas segunda ordem Há duas frequências de corte a superior e a inferior Elas podem ser calculadas utilizandose as mesmas fórmulas de frequências de corte passabaixas e de corte passaaltas nas devidas seções Filtro passabanda de primeira ordem Exercícios A Sedra e K Smith Microeletrônica Pearson Prentice Hall 5ª edição 2007 Capítulo 10 R L Boylestad e L Nashelsky Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos Pearson Prentice Hall 11ª edição 2013 Capítulo 10 e 11 Obrigado