Amplificadores Operacionais - Circuitos Eletricos

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Published on March 12, 2014

Author: FilipeRibeiro

Source: slideshare.net

17/04/2013 1 Amplificador Operacional Disciplina: Circuitos Elétricos I Professor: Leonardo R.A.X. de Menezes ENE-FT-UnB Sumário • Um problema a ser resolvido • O amplificador operacional • Tipos de amplificadores operacionais • Parâmetros de amplificadores operacionais • O amplificador operacional ideal • Circuitos com amplificador operacional • Circuitos RL e RC com amplificador operacional Um problema a ser resolvido • Considere o caso de um circuito em que você tem uma carga RL que precisa de uma tensão de Vs Volts, tendo a fonte uma resistência interna Rf – Como resolver o problema? • Vamos ao esquemático

17/04/2013 2 Um problema a ser resolvido • A tensão que deve ser colocada na fonte deve ser: – Portanto parte da energia • Será gasta na fonte • Para RL>Rf – Tensões podem ser » Elevadas x L f x L fL L L x fL L L V R R V R RR R V V RR R V            1 1 1 Um problema a ser resolvido • O problema fica ainda pior se tivermos outras cargas ligadas a RL X LxL f X LxL f LX V RR R V RR R V                        11 1 11 1 1 Um problema a ser resolvido • Esta e a razão pela qual: – Se estamos em um carro com as luzes ligadas – As mesmas diminuem de intensidade quando damos partida no carro. • Tensão da bateria: 12 V (Vx) • Resistência da fonte:60 mW (Rf). – Resistência equivalente do farol: 7 W (RL) – Corrente que atravessa farol quando o carro está desligado: 1.65 A – Potência no farol 20 W

17/04/2013 3 Um problema a ser resolvido • Mesma situação quando o motor de partida liga: – Resistência do motor de partida 120 mW (RLx) – Pergunta: • Qual será a potência do farol neste caso? 9.512 12.0 1 7 1 06.01 11 1                             X LxL fLX V RR RV ( ) W R V P L LX 5 7 9.5 22  Um problema a ser resolvido • Portanto o problema e que a tensão sobre a resistência RL será função do valor de RL, RLx e Rf – Isto é um problema sério: • Imagine um circuito cheio de chaves (um circuito digital por exemplo) • Teremos que a carga que este circuito apresenta para a fonte é variável • Portanto se utilizarmos este esquema o circuito pode não funcionar a contento Um problema a ser resolvido • Como resolver o problema – Vamos introduzir um elemento entre a fonte e a carga e tentar determinar quais seriam as características deste elemento

17/04/2013 4 Um problema a ser resolvido • Do ponto de vista da fonte – A resistência de entrada Rin deste elemento teria de ser muito grande em relação a Rf pois: xx in f in f x in VV R R R R V V                1 1 inf in f RR R R 1 Um problema a ser resolvido • Do ponto de vista da carga – A resistência de entrada Rout deste elemento teria de ser muito pequena em relação a RL pois: OCOC L out OC L out OC outL L L thout VV R R V R R V RR R V RR             1 1 1 Lout L out RR R R 1 Um problema a ser resolvido • Portanto: – Não dá para ser um resistor em série - aumenta a resistência de saída – Não dá para ser um resistor em paralelo - diminui a resistência de entrada • E um circuito em D ou Y? – Também não funciona

17/04/2013 5 Um problema a ser resolvido • Qual a solução? – Uma fonte de tensão controlada a tensão de ganho unitário entre a fonte e a carga! Lx X LX L X L XLXLX R V I R V I VVV   O amplificador operacional • O amplificador operacional resolve este e mais uma série de problemas utilizando eletrônica em circuito integrado – Possui alto ganho (típico de 20.000) – Alta resistência de entrada (tipicamente 2 MW) – Resistência de saída em torno de 75 W. O amplificador operacional • Como funciona o amplificador operacional? – Estrutura de três estágios • Par diferencial • Emissor comum • Estagio de Saída

17/04/2013 6 O amplificador operacional • Como é a cara do amplificador operacional – Normalmente e encapsulado em um “dual- in-line-package” (DIP) – Ele tem cinco pinos que são utilizados normalmente O amplificador operacional • Tem vários fabricantes que projetam e montam amplificadores operacionais (amp- op) – Cada um traz designações diferentes • Farchild (Intel) mA e mAF • National Semiconductor LM, LH, LF e TBA • Motorola MC e MFC • RCA CA e CD • Texas Instruments SN • Signetics N/S, NE/SE e SU O amplificador operacional • A representação do amplificador depende de qual modelo estamos interessados – Normalmente estamos interessados: • na entrada inversora • na não inversora • Na saída

17/04/2013 7 O amplificador operacional • Em geral os amp-ops do tipo 741 (descrito anteriormente) demandam uma tensão de polarização de 30 V – Simétrica • -15 V • +15 V Tipos de amplificadores operacionais • Os amplificadores operacionais de uso genérico mais conhecidos são o 741 e 351 – Vários fabricantes os constroem • National Semiconductor LM741 • Motorola MC1741 • RCA CA3741 • Texas Instruments SN52741 • Signetics N5741 • Farchild mA741 Parâmetros de amplificadores operacionais • Os amp-ops tem alguns parâmetros importantes – Tensão de alimentação - geralmente simétrica (chamadas +Vcc e -Vee) geralmente de 15 V – Dissipação de potência (tipicamente 50 mW) – Corrente de alimentação (tipicamente 1.7 mA) – Corrente máxima de saída (25 mA) – Tensão de saída máxima (14 V)

17/04/2013 8 Parâmetros de amplificadores operacionais • Note que isto nos da alguma informação interessante – Se a máxima corrente de saída e 25 mA (carga zero) e 14 V (carga elevada) – Isto significa que máxima potencia que pode ser entregue a qualquer carga é de no Máximo de 87.5 mW (1/4* 2* 14 V * 25 mA) – Portanto não e suficiente para aplicações de potência Parâmetros de amplificadores operacionais • Por exemplo um alto-falante de 8W – A máxima potência que o amp-op poderia entregar seria de 5 mW (Ri2=8*(0.025)2) – Portanto seria insuficiente para gerar algum som apreciável – Neste caso utiliza-se o amp-op em conjunto com um amplificador de potência (como o LM380 ou o BB3329/03 ou um transistor de potência) Resolvendo o amplificador operacional • O modelo de segunda ordem do amplificador operacional mostra que o mesmo pode ser considerado como uma fonte de tensão controlada a tensão

17/04/2013 9 Resolvendo o amplificador operacional • Em um circuito mais complexo o modelo pode ser utilizado sem grandes complicações e analisado através da analise nodal ou dos laços Resolvendo o amplificador operacional • Vamos fazer a analise deste circuito utilizando o método dos laços (três laços) ( ) ( ) GviRRiR GviRiRRRiR viRiRR outLout outoutfinin ininin    32 321 21)( Resolvendo o amplificador operacional • Rearranjando: ( ) ( ) ( ) 0 0 )( 32 321 21    iRRiGRR iRiGRRRRiR viRiRR outLinout outinoutfinin ininin ( ) ( ) ( )finoutinoutfinL ininout RRRGRRRRR RGRR i i    1 3

17/04/2013 10 Resolvendo o amplificador operacional • Nesta analise tivemos três equações e três incógnitas (três laços) – Um pouco difícil de se obter uma resposta literal • E se fizermos a analise nodal? – 5 nós e 2 equações de restrição – Portanto 2 equações e duas incógnitas Resolvendo o amplificador operacional • Vamos fazer a analise deste circuito utilizando o método nodal (dois nós) ( ) Gvv vv vGvGGGvG vGvGvGGG insource outLoutff sourcesffins     int int21 21 0 0)( Resolvendo o amplificador operacional • Rearranjando as equações ( ) ( ) 0 )( 21 21   vGGGvGGG vGvGvGGG Loutfoutf insffins ( ) 121 21)( GvGGvGvGGGvG vGvGvGGG outoutLoutff insffins  

17/04/2013 11 Resolvendo o amplificador operacional • Queremos encontrar: – Ganho de tensão v2/vin – Para Gin=0 e G infinito temos ( ) ( )( ) ( )( ) foutLsinLoutf soutf in GGGGGGGGG GGGG v v    1 2 s f f s in R R G G v v 2 O amplificador operacional ideal • Este mesmo resultado pode ser obtido de forma bem simples – Assumindo que: • O ganho é tão elevado que pode ser considerado infinito • A resistência de entrada é tão grande que pode ser considerada infinita – Se esta resistência é infinita então não há fluxo de corrente para dentro do amplificador operacional (iinversora=inao inversora =0 • A tensão na porta inversora é igual a tensão na porta não inversora G 0inG O amplificador operacional ideal • Portanto vamos utilizar estas ideias simples para resolver o circuito anterior 0_ 1_   inversoranaoinversora inversoranaoinversora ii vvv LL ss ff RG RG RG /1 /1 /1   

17/04/2013 12 O amplificador operacional ideal • Vamos montar as equações – Vamos montar as equações esquecendo o que o amp-op faz (2 eqs nodais + 1 eq. de restrição) – Mais a equação de restrição na fonte ( ) out in inversorassff opampsaidaffL vv vv ivGvGGvG ivGvGG     2 0 012 __12 0 0)( O amplificador operacional ideal • Ora, pelas regras que definimos • Como a tensão na porta inversora v1=0 então as equações se tornam 0 0 _ 1_   inversoranaoinversora inversoranaoinversora ii vvv 0 0)( __   insoutf opampsaidaoutfL vGvG ivGG O amplificador operacional ideal • Resolvendo teremos • Este é o mesmo resultado obtido anteriormente in f s out in f s fLopampsaida v G G v v G G GGi   )(__

17/04/2013 13 O amplificador operacional ideal • Portanto para resolver circuito com o amplificador operacional podemos seguir os seguintes passos: – Montar as equações nodais (não dá para ser laço) – Fazer as correntes nas portas do amp-op iguais a zero – Fazer a tensão na conexão da porta inversora igual a da porta não inversora O amplificador operacional ideal • O resultado continua válido para a maioria das aplicações – É necessário ter cuidado pois a corrente que sai do amp-op NÃO é necessariamente igual a zero como o exemplo provou • Portanto aplique análise nodal e monte as equações assumindo que não há corrente nas portas inversora e não inversora do amp-op Circuitos com amplificador operacional • Seguidor de tensão – Vamos montar as eqs. – Mas v1=v2 logo v2=v0 • Qual a vantagem disto? – v2=v0 independente do valor de RL e RS in inversoranaoopampsaidaL inversorass vv iivG ivGvG    0 ___2 10 0 0

17/04/2013 14 Circuitos com amplificador operacional • Note que este amplificador resolve o nosso problema anterior – Como entregar uma tensão a uma carga independente do valor da carga – Portanto o Amp-op pode se prestar para realizarmos fontes de alimentação! Circuitos com amplificador operacional • Subtrator de tensão – Temos as tensões de nos • V0 • V1 • V2 • V3 • V4 – Mais duas equações de restrição • Total 3 eqs nodais +2 restrições Circuitos com amplificador operacional • Vamos montar as equações ( ) ( ) 0 0 0 __4222 _34313 4222101 _3 2 21 10        ampopsaida inversoranao inversora inversoranao inversora in in ivGvG ivGGvG ivGvGGvG vv vv vv vv

17/04/2013 15 Circuitos com amplificador operacional • Vamos agora simplificar fazendo 0_ 32_   inversoranaoinversora inversoranaoinversora ii vvvvv ( ) ( ) 422__ 2343 114221 vGvGi vGvGG vGvGvGG ampopsaida in in    ( ) ( ) ( ) ( ) 2 43 31 11__ 2 43 3 2 432 213 1 2 1 4 ininampopsaida in inin v GG GG vGi v GG G v v GGG GGG v G G v        Circuitos com amplificador operacional • Se fizermos G1=G3 e G2=G4 então: ( ) ( ) ( ) ( )            2 21 1 11__ 2 21 1 12 1 2 12 2 1 4 ininampopsaida in inininin v GG G vGi v GG G v vv R R vv G G v Circuitos RC e RL com Amplificadores Operacionais • Da mesma forma que circuitos RC simples, podemos incluir amplificadores operacionais e resolver através da analise nodal • O procedimento é o mesmo • Devemos lembrar apenas das regras do amp-op – Tensão na porta inversora igual a da porta não inversora – Corrente na porta inversora igual a corrente na porta não inversora e ambas iguais a zero

17/04/2013 16 Circuitos RC e RL com Amplificadores Operacionais • Desta forma temos para o circuito a seguir – Corrente que flui pelo resistor R é – Corrente que flui pelo capacitor R tf ti )( )(  dt tdv Cti )( )(  Circuitos RC e RL com Amplificadores Operacionais • Portanto a tensão na saída será: • Este circuito é conhecido como integrador - pois a tensão na saída é a integral da tensão da fonte de entrada    t df RC tv dt tdv C R tf )( 1 )( )()( Circuitos RC e RL com Amplificadores Operacionais • Para o circuito a seguir – A corrente que passa pelo capacitor é: – A tensão na saída do amp- op é dada por: dt tdf Cti )( )(  )()( tRitv 

17/04/2013 17 Circuitos RC e RL com Amplificadores Operacionais • Portanto a tensão de saida será • Este circuito é conhecido como diferenciador – A saída dele é proporcional a derivada da tensão da fonte de entrada dt tdf RCtv )( )(  Conclusões • Nesta aula vimos – O que é o amplificador operacional e qual é o seu circuito equivalente de primeira ordem – O modelo simplificado para análise do amp-op e como utilizá-lo para resolver circuitos – Parâmetros do amplificador operacional – Circuitos que utilizam o amplificador operacional

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