Ganho do Amplificador Operacional: Explicação e Equações
O ganho é um aspecto fundamental do projeto de circuitos de amplificadores operacionais: os cálculos podem ser realizados para circuitos genéricos ou com fórmulas mais específicas para amplificadores inversores e não inversores.
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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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Um dos aspectos-chave do desempenho de amplificadores operacionais e seu projeto de circuito eletrônico é o ganho. Amplificadores operacionais por si só oferecem enormes níveis de ganho quando usados no que é chamado de configuração de malha aberta.
Sob condições de malha aberta, o ganho do amplificador operacional pode ser qualquer coisa acima de 10.000, com alguns amplificadores operacionais tendo níveis de ganho chegando a mais de dez vezes esse valor. Mesmo com amplificadores operacionais do mesmo tipo pode haver grandes variações de ganho como resultado dos processos de fabricação utilizados.
Embora os próprios amplificadores operacionais ofereçam enormes níveis de ganho, esse ganho raramente é usado dessa forma para fornecer amplificação de sinal – seria extremamente difícil de utilizar, pois mesmo sinais de entrada muito pequenos levariam a saída para além das tensões do trilho com a limitação ou limitação resultante. recorte da saída.
Usando uma técnica conhecida como feedback negativo no projeto de circuitos eletrônicos, os enormes níveis de ganho podem ser usados para fornecer os altos níveis de desempenho necessários. Eles podem permitir que o projeto geral do circuito eletrônico tenha respostas de frequência planas, baixa distorção e níveis de ganho muito definidos para o circuito geral.
O ganho geral do projeto do circuito eletrônico não depende do nível real de ganho do CI, mas dos componentes externos cujos valores podem ser escolhidos com precisão.
Em outros circuitos de amplificador operacional, o feedback pode ser usado para fornecer outros efeitos, como filtragem e similares.
Em algumas circunstâncias, o feedback positivo pode ser usado, mas isso normalmente é realizado de uma maneira específica para obter um efeito específico.
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NOÇÕES BÁSICAS DE GANHO DE AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Existem dois cenários principais que podem ser considerados ao analisar o ganho do amplificador operacional e o projeto do circuito eletrônico usando esses componentes eletrônicos:
- Ganho de malha aberta: Esta forma de ganho é medida quando nenhum feedback é aplicado ao circuito do amplificador operacional. Em outras palavras, ele está sendo executado em um formato de loop aberto. Os valores de ganho para o amplificador operacional nesta configuração são normalmente muito altos, normalmente entre 10.000 e 100.000. Este é o ganho do amplificador operacional por conta própria.Os números são frequentemente citados nas folhas de dados do amplificador operacional em termos de volts por milivolt, V/mV. A citação do ganho nesses termos permite que o ganho seja escrito em um formato mais conveniente. 10 V/mV corresponde a um ganho de tensão de 10 000. Economiza escrever muitos zeros.
- Ganho de malha fechada: Esta forma de ganho é medida quando a malha de realimentação está em operação, ou seja, uma malha fechada. Ao aplicar feedback negativo, o ganho geral do circuito é muito reduzido, podendo ser ajustado com precisão para o nível necessário ou para produzir o formato de saída necessário como no caso de filtros, integradores, etc. Alguns componentes eletrônicos podem ser adicionados ao circuito do amplificador operacional para fornecer o feedback necessário.O ganho é medido com a malha fechada e desde que haja uma diferença suficiente entre o ganho da malha aberta e da malha fechada, o circuito operará de acordo com o feedback colocado ao seu redor. Em outras palavras, desde que o amplificador operacional tenha ganho suficiente (o que ele terá), o ganho do circuito geral é definido pela realimentação negativa, e não pelo ganho do próprio amplificador operacional.Embora o feedback negativo seja normalmente usado para circuitos analógicos, há casos em que o feedback positivo é usado. A aplicação mais comum disso é para comparadores onde a saída é necessária em um dos dois níveis. O gatilho Schmitt é um exemplo em que a histerese é introduzida no sistema. Nessas aplicações, ICs comparadores devem ser usados em vez de amplificadores operacionais porque eles são projetados para operar neste modo.
Um aspecto intimamente associado ao ganho operacional do amplificador é a largura de banda. O enorme ganho dos amplificadores operacionais pode levar à instabilidade se medidas não forem tomadas para garantir que o amplificador operacional e seu circuito permaneçam estáveis, mesmo com realimentação negativa aplicada.
Uma técnica conhecida como compensação é usada. Nos primeiros amplificadores operacionais, componentes eletrônicos externos foram usados para adicionar a compensação, mas em chips posteriores, ela foi adicionada internamente. Em seus termos básicos, um pequeno capacitor é adicionado aos elementos internos do amplificador operacional. Isso tem o efeito de reduzir a tendência a oscilar, mas também reduz a largura de banda de malha aberta.
Embora a largura de banda de malha aberta do circuito do amplificador operacional seja reduzida, uma vez que o feedback negativo tenha sido aplicado, um ganho de nível suficiente com uma resposta de frequência plana pode ser alcançado para a maioria dos propósitos.Leia mais sobre . . . . resposta de frequência do amplificador operacional, ganho e largura de banda.
GANHO GENERALIZADO DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL
O feedback negativo é usado para controlar o ganho do circuito geral do amplificador operacional. Há muitas maneiras pelas quais o feedback pode ser aplicado ao projetar um circuito eletrônico – pode ser independente da frequência ou pode ser dependente da frequência para produzir filtros, por exemplo.
É possível produzir um conceito generalizado para aplicação de feedback negativo. A partir disso, os cenários mais específicos podem ser desenvolvidos.
É possível calcular uma fórmula geral para o ganho do amplificador operacional no circuito:
A tensão de saída pode então ser calculada a partir do conhecimento da tensão de entrada, ganho e feedback:
Isso agora pode ser usado para gerar a equação genérica de ganho do amplificador operacional de malha fechada.
Usando esta equação genérica é possível desenvolver equações para cenários mais específicos. O feedback pode ser dependente da frequência ou plano, conforme necessário.
Os dois exemplos mais simples de circuitos de amplificador operacional usando feedback são os formatos para amplificadores inversores e não inversores.
INVERSÃO DO GANHO DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL
O circuito para o circuito do amplificador operacional inversor é mostrado abaixo. Este circuito tem a saída 180° fora de fase com a entrada e também fornece uma entrada de terra virtual.
O circuito do amplificador operacional é bastante simples usando poucos componentes eletrônicos: um único resistor de realimentação da saída para a entrada inversora e um resistor da entrada inversora para a entrada do circuito. A entrada não inversora é tomada como ponto de aterramento. Este circuito de amplificador operacional usa apenas dois componentes eletrônicos adicionais e isso o torna muito simples e fácil de implementar.
É fácil derivar a equação de ganho do amplificador operacional. A entrada para o próprio amplificador operacional não consome corrente no que diz respeito aos nossos cálculos, pois a impedância de cada entrada para o amplificador será bem acima de 100kΩ e possivelmente bem acima de 1MΩ. Isso significa que qualquer corrente fluindo para o chip pode ser ignorada.
A partir disso, podemos ver que a corrente que flui nos resistores R1 e R2 é a mesma, porque nenhuma corrente está saindo da junção entre os dois resistores.
Usando a lei de ohms V out /R 2 = -V in /R 1 . Portanto, o ganho de tensão do circuito Av pode ser tomado como:
Como exemplo, um amplificador que requer um ganho de dez pode ser construído fazendo R 2 47 k ohms e R 1 4,7 k ohms.
GANHO DE AMPLIFICADOR OPERACIONAL NÃO INVERSOR
O circuito para o amplificador operacional não inversor é mostrado abaixo. Ele oferece uma impedância de entrada mais alta do que o circuito do amplificador operacional inversor. Como o circuito do amplificador operacional inversor, ele requer apenas a adição de dois componentes eletrônicos: dois resistores para fornecer o feedback necessário.
O amplificador não inversor também tem a característica de que a entrada e a saída estão na mesma fase como resultado do sinal sendo aplicado à entrada não inversora do amplificador operacional.
O ganho do circuito não inversor para o amplificador operacional também é fácil de determinar durante o processo de projeto do circuito eletrônico. O cálculo gira em torno do fato de que a tensão em ambas as entradas é a mesma.
Isso decorre do fato de que o ganho do amplificador é extremamente alto. Se a saída do circuito permanecer dentro dos trilhos de alimentação do amplificador, a tensão de saída dividida pelo ganho significa que praticamente não há diferença entre as duas entradas.
O ganho do circuito não inversor para o amplificador operacional também é fácil de determinar durante o processo de projeto do circuito eletrônico. O cálculo gira em torno do fato de que a tensão em ambas as entradas é a mesma.
Isso decorre do fato de que o ganho do amplificador é extremamente alto. Se a saída do circuito permanecer dentro dos trilhos de alimentação do amplificador, a tensão de saída dividida pelo ganho significa que praticamente não há diferença entre as duas entradas.
Podemos supor que, para fins de nosso cálculo, a entrada do amplificador operacional não consome corrente, pois a impedância das entradas do chip estará bem acima dos valores do resistor usados.
Isso significa que a corrente que flui nos resistores R 1 e R 2 é a mesma. A tensão na entrada inversora é formada a partir de um divisor de potencial composto por R 1 e R 2 , e como a tensão em ambas as entradas é a mesma, a tensão na entrada inversora deve ser a mesma que na entrada não inversora.
Isto significa que Vin = Vout x R 1 / (R 1 + R 2 ). Portanto, a equação de ganho do amplificador operacional para o ganho de tensão do circuito Av pode ser tomada como:
Como exemplo, um amplificador que requer um ganho de onze pode ser construído fazendo R 2 47 k ohms e R 1 4,7 k ohms.
O ganho do amplificador operacional é muito fácil de determinar. Os cálculos para os diferentes circuitos são ligeiramente diferentes, mas essencialmente ambos os circuitos são capazes de oferecer níveis semelhantes de ganho, embora os valores do resistor não sejam os mesmos para os mesmos níveis de ganho do amplificador operacional.
GANHO DE AMPLIFICADOR OPERACIONAL EM OUTRAS SITUAÇÕES
É normal usar amplificadores operacionais em aplicações lineares com realimentação negativa, embora nem sempre seja o caso. Isso utiliza o ganho muito alto do amplificador de malha aberta para fornecer desempenho repetível governado pelos componentes externos.
Exemplos desses circuitos de amplificador operacional incluem amplificadores, filtros, diferenciadores e integradores.
No entanto, também é possível usar amplificadores operacionais com outras formas de feedback para produzir outros efeitos.
Uma das aplicações do uso de feedback positivo dentro de um circuito de amplificador operacional para fornecer comutação, para o qual os comparadores fornecem desempenho muito melhor, pois operam muito mais rápido e não sofrem problemas de travamento, mas isso não significa que os princípios básicos de feedback positivo não se aplica. No entanto, os princípios básicos de feedback e ganho ainda se aplicam a este tipo de IC ou bloco de circuito.
Dito isto, o feedback negativo é a forma mais usada de feedback para aplicações analógicas e lineares.
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