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Prof. Dr. Aparecido NicolettPUC-SP
Aula 15Amplificadores Operacionais
(pág. 453 a 459)
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Considerações gerais:
• Amplificadores Operacionais são amplificadores diferencias com ganho muito alto, impedância de entrada alta e impedância de saída baixa.
• Suas principais aplicações, como o próprio nome diz, são realizar operações matemáticas (integração, diferenciação, soma, multiplicação/amplificação, etc.), quando operando na região linear (região ativa).
• Na região de saturação, este dispositivo pode ser utilizado como comparador, gerador de onda quadrada, dente de serra, filtros, osciladores, etc.
• Possui três modos de entrada: entrada inversora, entrada não inversora e entrada diferencial, quando as entradas inversora e não inversora são utilizadas simultaneamente.
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A figura 13.1 mostra um amp-op básico, com duas entradas e uma saída.
Figura 13.1: Amp-op básico.
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Entrada com Terminação Única
• A operação de entrada com terminação única tem origem, quando o sinal de entrada é conectado a uma entrada do amp-op com a outra entrada conectada ao terra (GND).
Sinal de entrada injetado na entrada não-inversora. Sinal de saída, após realização da operação, possuí mesma fase.
Sinal de saída com defasagem de 180o.
Figura 13.2: Operação com terminação única.
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Entrada com Terminação Dupla (Diferencial)
• Sinal de entrada aplicado a ambas as entradas, o que é chamado de operação com terminação dupla.
A fonte Vd é aplicada nas duas entradas.
Duas fontes, V1 e V2, são aplicadas nas entradas do amp-op. Vd = V1 – V2
Figura 13.3: Operação com terminação dupla.
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Saída com Terminação Dupla
• Um sinal de entrada aplicado a qualquer entrada, resultará em saídas para ambos os terminais de saída, com polaridades opostas.
Figura 12.35: Circuito amplificador diferencial básico.
+
-
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Figura 13.5: Saída com terminação dupla e entrada com terminação única.
Saídas amplificadas de polaridades opostas.
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Figura 13.6: Saída com terminação dupla.
Saída única medida entre os terminais de saída (não em relação ao GND). Este sinal de diferença de saída é Vo1 – Vo2.
A diferença de saída é duas vezes maior que Vo1 ou Vo2, pois são polaridades opostas.
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Figura 13.7: Operação com entrada e saída diferenciais.
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Figura 13.8: Operação modo-comum.
Vd = 0
Como as entradas recebem o mesmo sinal, as saídas são amplificadas de mameiraiguais, resultando em Vo ≈ 0 V.
Operação Modo-Comum
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Rejeição de Modo-Comum (CMRR – Common-Mode Rejection Ratio)
• Uma importante característica de uma conexão diferencial é que os sinais que são opostos nas entradas são altamente amplificados.
• Os sinais comuns às entradas são apenas pouco amplificados.
• Como o ruído (qualquer sinal de entrada não desejado) geralmente é comum a ambas as entradas, a conexão diferencial tende a atenuar essa entrada indesejada.
Operação Diferencial e Modo-Comum
• Entradas Diferenciais: Quando entradas separadas são aplicadas ao amp-op, o sinal de diferença resultante é:
2i1id VVV −= (13.1)
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• Entradas Comuns: Quando os sinais de entrada são iguais, o sinal comum às duas entradas pode ser definido como a média aritmética entre os dois sinais.
( )2i1ic VV21V += (13.2)
• Tensão de saída:
ccddo VAVAV += (13.3)
Vd = tensão de diferença dada pela eq. (13.1)
Vc = tensão comum dada pela eq. (13.2)
Ad = ganho diferencial do amplificador
Ac = ganho de modo-comum do amplificador
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a) Para medir Ad ⇒ Vi1 = - Vi2 = Vs = 0,5 V
(13.1) ⇒ Vd = (Vi1 – Vi2) = (0,5 V – (-0,5 V)) = 1 V
(13.2) ⇒ Vc = ½ (Vi1 + Vi2) = ½ [0,5 V + (- 0,5 V)] = 0 V
(13.3) ⇒ Vo = Ad.Vd + Ac.Vc = 1 + 0 = Ad
b) Para medir Ac ⇒ Vi1 = Vi2 = Vs = 1V
(13.1) ⇒ Vd = (Vi1 – Vi2) = (1,0 V – (1,0 V)) = 0 V
(13.2) ⇒ Vc = ½ (Vi1 + Vi2) = ½ [1,0 V + (1,0)] = 1 V
(13.3) ⇒ Vo = Ad.Vd + Ac.Vc = 0 + 1 = Ac
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Razão de rejeição de Modo-Comum
c
dAACMRR = (13.4)
)dB(AAlog20(log)CMRR
c
d10= (13.5)
Exemplo 13.1: Calcule CMRR para os circutos de medidas abaixo.
8000m18
VVA
d
od ===
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12m1m12
VcVA o
c ===
7,66612
8000AACMRR
c
d === (13.4)
)dB(48,56m12
log20(log)CMRR 800010 == (13.5)
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Amplificadores Básicos
Figura 13.10: Amp-op básico
• A entrada positiva (+) produz uma saída que está em fase com o sinal aplicado, enquanto a entrada negativa (-) resulta numa saída com polaridade oposta.
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Figure 13.11: Equivalente ca do circuito amp-op: (a) real; (b) ideal.
Ri: Resistência de entrada (normalmente muito alta)
Ro: Resistência de saída (normalmente muito baixa)
Ad: Ganho diferencial do amplificador
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Amp-op Básico
Sinal de entrada V1 aplicado exclusivamente na entrada inversora. A saída Vo será oposta em fase
ao sinal de V1.
Figura 13.12: Conexão amp-op básica.
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Circuito ca equivalente do amp-op. {
Figura 13.13
Figura 13.12
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Figura 13.13
Figura 13.13
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• Utilizando a sobreposição é possível calcular a tensão Vi em termos dos componentes por causa de cada uma das fontes.
Para a fonte V1 somente (-Av.Vi fixado em zero):
Rf1R1VRfVi1 +
=
Figura 13.13c
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Para a fonte -Av.Vi somente (V1 fixado em zero):
Rf1R)Vi.Av(1RVi2 +
−=
Figura 13.13c
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A tensão total Vi é então:
)Vi.Av(Rf1R
1R1VRf1R
RfViViVi 21 −+
++
=+=
1V1R)Av1(Rf
RfVi++
= (13.7)
Se Av >> 1 e Av.R1 >> Rf, como normalmente ocorre, tem-se:
1V1AvR
RfVi =
Vi.1R1V.Rf
1R.Av.Vi1V.Rf.Av
ViVi.Av
ViVo
−=−
=−
=1R
Rf1V
Vo−= (13.8)
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1RRf
1VVo
−= (13.8)
Para Rf = R1 Vo/V1 = -1 (ganho unitário)
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Terra Virtual
• A tensão de saída é limitada pela fonte de alimentação, ou seja, apesar do ganho elevado típico deste dispositivo, a saída nunca será maior que a alimentação.
Como Ri é muito grande, podemos admitir que Vi ≈ 0V. Isto implica que não há corrente na entrada do amplificador para o GND.
Figura 13.14
Figura 13.13a
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