Fundamentos do Amplificador Operacional: O que é
Amplificadores operacionais são um dos blocos de circuitos mais úteis para projetos de circuitos eletrônicos analógicos. Eles são fáceis de usar e podem fornecer alguns circuitos analógicos quase perfeitos.
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Tutorial de amplificador operacional inclui:
Introdução | Ganho do amplificador operacional | Largura de banda | Taxa de subida do amplificador operacional | Nulidade de deslocamento | Impedância de entrada | Impedância de saída | Amplificador operacional de feedback de corrente | Compreensão das especificações | Como escolher um amplificador operacional | Resumo dos circuitos de amplificador operacional |
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Circuitos integrados, ICs tiveram um grande impacto na cena eletrônica – tanto os circuitos analógicos quanto os digitais mudaram a cara da eletrônica.
Dentro da área da eletrônica analógica, nada fez mais diferença do que o amplificador operacional, ou op-amp. O amplificador operacional é um amplificador diferencial e é um bloco de circuito amplificador de alto desempenho que permite que muitos circuitos amplificadores eletrônicos diferentes sejam projetados com a adição de apenas alguns outros componentes.
O amplificador operacional pode formar a base de uma série de outros circuitos, desde filtros a temporizadores e osciladores a comparadores e astáveis. Como tal, o amplificador operacional é um dos blocos de construção mais versáteis disponíveis para o engenheiro de projeto de circuitos eletrônicos analógicos e amadores.
Uma das vantagens de usar circuitos com amplificadores operacionais é que o design do circuito eletrônico geralmente é muito fácil, embora ainda produza circuitos acabados de alto desempenho.
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Desenvolvimento de amplificador operacional
Embora o termo amplificador operacional tenha se tornado totalmente integrado à terminologia eletrônica de hoje, pode não ser percebido que ele remonta a um artigo publicado em 1947. Este trabalho descrito que foi realizado usando esses amplificadores em computadores analógicos da época.
No entanto, não foi até a década de 1960 que o conceito desses amplificadores pôde ser totalmente realizado com a introdução generalizada da tecnologia de circuitos integrados.
Em 1963, o primeiro amplificador operacional de circuito integrado monolítico foi introduzido. Era o µA702 da Fairchild Semiconductor que havia sido projetado por seu engenheiro Bob Widlar.
Mais tarde, em 1965, foi lançado um refinamento do µA702. Novamente produzido pela Fairchild, foi o µA709 e foi o primeiro amplificador operacional a ser amplamente utilizado. Funcionou bem, superando alguns dos problemas do ¶micro;A702, embora fosse necessário compensar externamente o amplificador para evitar que ele entrasse em oscilação.
Em 1968, o muito famoso µA741 foi introduzido pela primeira vez. Este amplificador operacional resolveu os problemas de instabilidade incorporando um pequeno capacitor de 30pF no chip dentro da matriz. Isso significava que nenhum componente de remuneração externa era necessário.
Adicionar a compensação ao chip real permitiu que o 741 fosse usado de forma particularmente ampla e, de fato, ainda é fabricado por algumas empresas até hoje. Além disso, a configuração do pino também foi transportada para muitos chips de amplificadores operacionais atuais.
Desde então, muitos chips de amplificadores operacionais foram lançados oferecendo melhor desempenho em termos de impedância de entrada, baixos deslocamentos, baixo ruído e similares, e eles foram incorporados ao design de circuitos eletrônicos analógicos.
Agora, os amplificadores operacionais se tornaram um bloco de construção fundamental usado em toda a indústria eletrônica. Mesmo que eles já existam há algum tempo, parece haver pouca probabilidade de seu uso cair.
O que é um Op-Amp? O básico
Um amplificador operacional é uma aproximação muito próxima de um amplificador perfeito que possui ganho infinito, impedância de entrada infinita e impedância de saída zero.
Na realidade, os amplificadores operacionais não atingem a perfeição, mas com ganhos geralmente na região de 100.000 ou mais, níveis de impedância de entrada de Megohms e níveis de impedância de saída muito baixos, eles chegam suficientemente perto para permitir que as imperfeições sejam ignoradas em maioria dos casos.
O amplificador operacional tem duas entradas. Uma é chamada de entrada inversora e é marcada com um sinal “-” nos diagramas esquemáticos do circuito. A outra é a entrada não inversora e está marcada com um sinal “+”.
O amplificador operacional é basicamente um amplificador diferencial porque a saída é proporcional à diferença de tensão entre as duas entradas.
As duas entradas ganham seus nomes pela forma como amplificam os sinais:
- Entrada não inversora: A entrada não inversora do amplificador operacional é marcada por um sinal “+” no diagrama de circuito. Verificou-se que uma tensão positiva aplicada à entrada não inversora produzirá uma oscilação positiva na saída. Se uma forma de onda variável, como uma onda senoidal, for aplicada à entrada não inversora, ela aparecerá no mesmo sentido na saída. Não foi invertido.
O sinal aplicado à entrada não inversora aparece na saída no mesmo sentidoAplicando um sinal de entrada à entrada não inversora e feedback negativo à entrada investidora, é possível projetar um circuito que não inverta o sentido do sinal de entrada. - Entrada inversora: A entrada inversora do amplificador operacional é marcada por um sinal “-” no diagrama de circuito. Uma tensão positiva aplicada à entrada inversora produzirá uma oscilação negativa na saída. Assim um seno foi aplicado na entrada inversora, aparecerá invertido na saída.
O sinal aplicado à entrada inversora aparece na saída no sentido opostoAplicando o sinal e a realimentação negativa à entrada inversora de um amplificador operacional, é possível projetar um circuito onde o sinal de saída seja o inverso da entrada.
Se a mesma tensão for aplicada a ambas as entradas juntas, não deve haver mudança na saída. De fato, a saída é proporcional à diferença entre as entradas inversoras e não inversoras. É por esta razão que esses amplificadores são freqüentemente chamados de amplificadores diferenciais.
Como qualquer projeto de circuito eletrônico, aqueles que usam amplificadores operacionais precisam ter uma fonte de alimentação. Normalmente, os amplificadores operacionais são fornecidos usando fontes duplas, ou seja, fontes positivas e negativas. Além disso, as linhas de alimentação geralmente não são mostradas, pois adicionam confusão ao diagrama de circuito.
Na maioria dos casos, o amplificador operacional precisará apenas de cinco conexões para sua operação – inversora, não inversora, saída e os dois barramentos de alimentação. Muito ocasionalmente, mais três podem ser usados. Estes são geralmente para a capacidade de “deslocamento nulo”. Isso é usado para reduzir quaisquer desvios DC que possam estar presentes e, para a maioria das aplicações, eles podem ser ignorados e deixados desconectados.
Características do amplificador operacional
Amplificadores operacionais, op-amps têm uma série de características básicas, algumas das quais oferecem vantagens, outras limitam seu desempenho:
- Ganho muito alto: Um dos principais atributos dos amplificadores operacionais é seu ganho muito alto. Números típicos variam de cerca de 10.000 para cima – números de 100.000 e mais são comuns. Embora um amplificador de malha aberta com um nível de ganho dessa ordem seja de pouca utilidade, os amplificadores operacionais são capazes de aproveitar as vantagens dos níveis de ganho muito altos usando feedback negativo. Desta forma, os níveis de ganho são muito controláveis e os níveis de distorção podem ser mantidos muito baixos.
O uso de feedback negativo é a chave para liberar o poder dos amplificadores operacionais. O alto ganho do amplificador operacional combinado com o uso inteligente de feedback negativo significa que a rede de feedback negativo é capaz de controlar o desempenho geral do bloco de circuito do amplificador operacional, permitindo que ele execute muitas funções diferentes. - Alta impedância de entrada: Uma alta impedância de entrada é outro aspecto fundamental dos amplificadores operacionais. Em teoria, sua resistência de entrada deve ser infinita, e os amplificadores operacionais em uso hoje chegam muito perto disso com impedâncias de 0,25 MΩ para cima. Alguns estágios de entrada MOSFET têm uma impedância de centenas de MΩ.
- Baixa impedância de saída: A impedância de saída do amplificador operacional também é importante. Como é de se esperar, isso deve ser baixo. No amplificador ideal, isso deve ser zero, mas, na realidade, muitos amplificadores têm uma impedância de saída inferior a cem ohms e muitos muito menores que isso. Dito isso, a capacidade de acionamento de muitos amplificadores operacionais baseados em IC é naturalmente limitada.
- Rejeição de modo comum: Outra característica importante do amplificador operacional é sua rejeição de modo comum. Isso se refere à situação em que o mesmo sinal é aplicado a ambas as entradas. Para um amplificador diferencial ideal, nenhuma saída deve ser vista na saída nessas circunstâncias; no entanto, o amplificador nunca será perfeito.
A taxa de rejeição de modo comum real, CMMR, é a relação entre o nível de saída quando o sinal é aplicado a ambas as entradas em comparação com a saída quando é aplicado a apenas uma. Esse valor é expresso em decibéis e normalmente é superior a 70 dB ou mais.
Utilizando a rejeição de modo comum de um amplificador operacional é possível projetar um circuito que reduza o nível de interferência em um sinal de baixo nível. As linhas de sinal e retorno são aplicadas às duas entradas e apenas sinais diferenciais são amplificados, qualquer ruído ou interferência captado e aparecendo em ambas as linhas será rejeitado. Isso é frequentemente usado em amplificadores de instrumentação. - Largura de banda limitada: A largura de banda de um amplificador operacional pode variar bastante. Um amplificador ideal teria uma largura de banda infinita, mas como se pode imaginar, isso seria impossível de criar e também muito difícil de usar e domar na prática. Na realidade, os amplificadores operacionais têm uma largura de banda limitada. Muitos dos chips usados para aplicações de áudio só podem exibir seu ganho total em uma largura de banda relativamente pequena, depois disso o ganho cai. Apesar disso, a maioria dos circuitos age para reduzir o ganho e permite que esse nível menor de ganho seja mantido em uma largura de banda maior.
Leia . . . . sobre as especificações e parâmetros do amplificador operacional.
Circuitos básicos de amplificadores operacionais
Embora os amplificadores operacionais sejam amplamente utilizados como amplificadores, eles também podem ser a base de muitos outros circuitos.
Como os circuitos de amplificadores operacionais colocam feedback ao redor do amplificador, alterar isso altera as propriedades do circuito geral. Alterar o feedback não apenas altera o nível de ganho, mas também pode alterar a função do circuito – é possível fazer diferenciadores, integradores, filtros, osciladores, astáveis, multivibradores e muitos outros circuitos simplesmente alterando os níveis de feedback e configuração.
Existem muitos circuitos diferentes baseados em amplificadores operacionais. Estes são geralmente fáceis de projetar e construir.
Leia mais sobre . . . . Circuitos de amplificadores operacionais.
Variedades de amplificadores operacionais
Como qualquer outra forma de componente eletrônico, os amplificadores operacionais estão disponíveis em muitas variedades. Os amplificadores operacionais estão disponíveis em muitos pacotes de IC. Os primeiros amplificadores operacionais, como o µA709, estavam disponíveis nas latas circulares de metal de 8 pinos, enquanto os amplificadores operacionais posteriores estavam disponíveis em pacotes de linha dupla de 8 pinos. Vários amplificadores operacionais também estavam disponíveis em pacotes DIL de 14 pinos – havia até amplificadores operacionais duplos disponíveis em DILs de 8 pinos, embora não houvesse acesso a recursos nulos de compensação, pois havia pinos insuficientes no pacote.
À medida que os componentes eletrônicos se moviam para as páginas de montagem em superfície, os amplificadores operacionais estavam disponíveis nos pacotes de baixa contagem, facilitando a instalação em diferentes circuitos, quando necessário.
Amplificadores operacionais também estão disponíveis com uma ampla variedade de parâmetros de desempenho. Além daqueles que oferecem características gerais de desempenho, há outros que fornecem desempenho de baixo ruído, baixo deslocamento, alta impedância de entrada, desempenho de alta frequência e uma variedade de outras áreas aprimoradas também.
Assim é possível obter esses componentes eletrônicos em formatos e com desempenho para atender a quase todas as necessidades.
O amplificador operacional é um bloco de construção muito útil para a eletrônica analógica. Sendo um circuito amplificador diferencial, ele se presta a muitas áreas ou projeto de circuitos eletrônicos analógicos. Tendo em vista o uso generalizado, os chips são muito baratos e podem ser usados para uma ampla variedade de funções.
Devido ao seu desempenho, facilidade de uso e variedade de circuitos diferentes em que podem ser usados, os amplificadores operacionais são usados em um grande número de circuitos, tanto como circuitos integrados propriamente ditos quanto como blocos de circuitos dentro de circuitos integrados. chips que contêm grandes quantidades de funcionalidade analógica.
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