Amplificadores

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1 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 - 5o Período - Matrícula: 200820855- Disciplina de Eletrônica II Fabricante FAIRCHILD NATIONAL MOTOROLA RCA TEXAS SIGNETICS SIEMENS Resumo—Este relatório visa apresentar o conhecimento adquirido em laboratório a respeito de amplificadores operacionais, 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. Código µA741 LM 741 M C1741 CA741 SN 741 SA741 T BA221(741) Tabela I C ÓDIGO DE FABRICANTES E F OLHA DE DADOS I. I NTRODUÇÃO T EÓRICA S Amplificadores Operacionais, popularmente conhecidos como Amp-op é um dispositivo eletrônico constituído de um arranjo complexo de resistores, capacitores e diodos. Representa um elemento de circuito ativo projetado para executar operações matemáticas de adição, subtração, multiplicação, 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 R lançou o seu de 1963 a FAIRCHILD SEMICONDUCTOR primeiro Amp-op monolítico 702. Também como tudo que se desenvolve o 702 apresentou uma série de problemas, tais como: O • • • • Baixa resistência de entrada; Baixo ganho; Alta sensibilidade a ruídos; Necessidade de alimentação diferenciada(−6V 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 "confiável"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 características 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 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 apresenta 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, respectivamente. Sendo um elemento ativo, o amp-op deve ser alimentado por uma fonte de tensão. O conceito de realimentação é fundamental para a compreensão dos circuitos com amp-op. Uma realimentação nega- 2 2) Amplificador Não Inversor Figura 2. Configuração de Pinagem Amp-op 741 tiva é feita quando a saída é alimentada para o terminal negativo 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: 1) Amplificador 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. 3) Amplificador Somador 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 Vo ut. Temos ainda dois resistores R1 e RF , note que R1 está ligando eletricamente o sinal de entrada(VE )com a entrada inversora do Amp-op, RF está fornecendo um caminho elétrico entre a saída (Vo ut) e a entrada inversora do Amp-op. 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. 3 4) Amplificador Subtrator tensão de referencia. 6) Amplificador Histerese Figura 6. Amplificador Subtrator O Amplificador subtrator tem a finalidade de amplificar as diferenças de tensões entre as entradas. Este circuito é extremamente analógico, inclusive em circuito empregando os Amo-ops. Exemplo se conectarmos transdutor em um amplificador inversor, tanto o sinal do transdutor quanto à interferência serão amplificados. Por outro lado, se conectarmos a saída do transdutor em um amplificador de diferenças, só o sinal do transdutor é amplificado, já que o sinal de interferência é captado praticamente da mesma forma pelos dois fios que carregam o sinal de tensão comum aos dois fios, ao passo que o sinal do transdutor é uma diferença de tensão entre esses dois fios. A tensão na saída deste circuito é proporcional a diferença entre as tensões da entrada (V1 - V2 ) e qualquer sinal comum as duas entradas não é amplificado, ou em outras palavras, é rejeitado. A constante de proporcionalidade é dada simplesmente pela razão entre RF / R1 . Figura 8. (a) Disparador Schmitt. (b) Histerese na característica de transferência A realimentação positiva tem um efeito incomum no circuito. Ela força a tensão de referência a ter a mesma polaridade que a tensão de saída; a tensão de referência é positiva quando a saída for alta, e negativa quando a saída for baixa. É por isso que temos um ponto de desengate superior e um inferior. Num disparador Schmitt, a diferença entre os dois pontos de desengate é chamada histerese. Devido à realimentação positiva, a característica de transferência tem a histerese mostrada na Fig.8. Se não houvesse rea1imentação positiva, B seria igual a zero e a histerese desapareceria, porque os pontos de desengate seriam iguais a zero. Mas há uma realimentação positiva, e isto separa os dois pontos de desengate da forma mostrada. II. O BJETIVOS 5) Amplificador Comparador • • Observar os sinais de entrada, vi (t), e de saída, vo (t), através do osciloscópio; Utilizando o osciloscópio na função x − y, analisaremos a função de tranferência vo (t) = f (vi), para x = sinal de entrada e y = sinal de saída. III. M ATERIAIS Figura 7. Amplificador Comparador Frequentemente precisamos comparar uma tensão com outra para verificar qual delas é a maior. Tudo o que precisamos é uma resposta sim/não. Um comparador é um circuito com duas tensões de entrada (não inversora e inversora) e uma tensão de saída. Quando a tensão não inversora for maior que a tensão inversora, o comparador produzirá uma alta tensão; quando a entrada não inversora for menor que a entrada inversora, a saída se baixa. A saída alta simboliza a resposta sim e a resposta não será mais baixa. A maioria dos circuitos comparadores são construídos por Amp-ops na configuração de malha aberta ou às vezes tendo sua tensão de saída limitada por diodo zener. Na maioria dos casos o diodo zener também é utilizado como Para a montagem do experimento, foram utilizados os seguintes materiais: • Gerador de Função ICEL GV − 2002; • Gerador de Tensão DC Instrutherm F A − 3030; • Multímetro Digital ICEL M D − 6601; • Osciloscópio M inipa M O − 1262; • Dois resistores de 1kΩ; • Dois resistores de 10kΩ; • Um diodo 1N 4148; • Um capacitor de 100nF ; • Amplificador Operacional LM 741C; • Protoboard. IV. M ÉTODO Primeiramente, para cada configuração montada foi observado, com a ajuda do osciloscópio, a tensão de entrada 4 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 100Hz e uma tensão de pico de 2V p. A primeira configuração foi o circuito Comparador Inversor. Como mostra a Figura 9. Figura 9. 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 100Hz e uma tensão de pico de 10V p. A primeira configuração nessa montagem foi o circuito Comparador com Histerese Inversor, como apresenta a Fig.13 Circuito Comparador Inversor A segunda montagem para os valores inicias da fonte foi o circuito Comparador Não Inversor, como mostra a Figura 10. Figura 13. Circuito Comparador com Histerese Inversor A segunda montagem é a configuração Comparador com Histerese Não Inversor, como mostra a Figura 14. 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. 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− . Circuito Amplificador Inversor Figura 15. Concluindo as montagens para os primeiros valores do gerador de função, foi feita a configuração do circuito Amplificador Não Inversor, como mostra a Figura 12. Circuito Multivibrador Após a medição, acrescentamos na configuração um diodo e um resistor de 1kΩ, como mostra a Fig. 16. 5 Figura 16. Circuito Multivibrador com Diodo V. R ESULTADOS Obtivemos na primeira parte do experimento os seguintes resultados: Para o Amplificador Comparador Inversor: Sinal de entrada Vi = 1, 8Vp e sinal de saída Vo = 14, 4Vp . Figura 19. Amplificador Comparador Não Inversor Função de Transferência: Figura de Lissajous. Figura 17. Amplificador Comparador Inversor Função de Transferência: Figura de Lissajous. Figura 20. Para o Amplificador Inversor: Sinal de entrada Vi = 0, 61Vp e sinal de saída Vo = 8Vp . Figura 21. Figura 18. Figura de Lissajous do Amplificador Comparador Não Inversor Amplificador Inversor Figura de Lissajous do Amplificador Comparador Inversor Para o Amplificador Comparador Não Inversor: Sinal de entrada Vi = 1, 7Vp e sinal de saída Vo = 14, 4Vp . Função de Transferência: Figura de Lissajous θ = 180◦ . 6 Para o Amplificador Comparador com Histerese Inversor: Sinal de entrada Vi = 8, 5Vp e sinal de saída Vo = 14Vp . Figura 22. Figura de Lissajous do Amplificador Inversor Para o Amplificador Não Inversor: Sinal de entrada Vi = 1, 6Vp e sinal de saída Vo = 5, 2Vp . Figura 25. Amplificador Comparador com Histerese Inversor Função de Transferência: Figura de Lissajous. Figura 23. Amplificador Não Inversor Função de Transferência: Figura de Lissajous θ = 360◦ . Figura 26. Figura de Lissajous do Amplificador Comparador com Histerese Inversor Para o Amplificador Comparador com Histerese Não Inversor: Sinal de entrada Vi = 8, 5Vp e sinal de saída Vo = 14Vp . Figura 24. Figura de Lissajous do Amplificador Não Inversor Figura 27. Amplificador Comparador com Histerese Não Inversor Função de Transferência: Figura de Lissajous. 7 Amplificador Multivibrador com Diodo: Sinal de entrada Vi = Não possui e sinal de saída Vo = 17Vp Superior e Vo = 9Vp Inferior. e(+) = 10Vp (Superior) FORMA DEONDA: Quadrada; e(+) = −5Vp (Inferior) FORMA DE ONDA: Quadrada. e(−) = 7Vp (Superior) FORMA DE ONDA: Dente de serra; e(−) = −6Vp (Inferior) F.ONDA: Dente de serra. 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 = 14Vp . e(+) = 4Vp FORMA DE ONDA: Quadrada; e(−) = 4Vp FORMA DE ONDA: Triangular, mas parecida com a dente de serra; Figura 31. Amplificador Multiplicador com Diodo Função de Transferência: Figura de Lissajous. Figura 29. Amplificador Multiplicador Função de Transferência: Figura de Lissajous. Figura 32. Figura de Lissajous do Amplificador Multiplicador com Diodo VI. D ISCUSSÃO E CONCLUSÕES Com o experimento, podemos concluir a importancia dos amplificadores operacionais, onde observamos que são instrumentos 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 instrumentação e equipamentos eletrônicos em geral. R EFERÊNCIAS Figura 30. Figura de Lissajous do Amplificador Multiplicador [1] ALEXANDER, K. Charles; SADIKU, N. O. Matetthew. 2008 "Fundamentos 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.