Eletrónica CET - Electromedicina Capítulo 4 – Ampop António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

AMPLIFICADORES OPERACIONAIS INTRODUÇÃO O amplificador operacional (ampop) foi desenvolvido na década de 40. O ampop era construído com base em componentes discretos, primeiro com válvulas e mais tarde, final dos anos 40, com transístores. A implementação do ampop com componentes discretos estendeu-se até 1963, ano em que surgiu o primeiro amplificador operacional, construído pela FairChild (μA 702), na forma de um circuito integrado. Figura 2 Figura 1 António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Atualmente os ampops são implementados por cerca de 30 transístores associados a resistências e a um condensador (compensação na frequência), com se exemplifica a figura 3. Figura 6.3 – Circuito do amplificador operacional 741. António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

termo operacional, justificado pela sua versatilidade. A designação de amplificador operacional, advém do facto de no início, este sistema, ser largamente utilizado para realizar operações matemáticas. Com o avanço tecnológico o ampop passou a apresentar características que fazem com que seja utilizado nas mais diversas aplicações, sendo, actualmente, o termo operacional, justificado pela sua versatilidade. António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Os terminais do amplificador operacional Do ponto de vista do sinal, o ampop tem três terminais: dois terminais de entrada, (+) e (-), e um terminal de saída, vo. A figura 4 mostra o símbolo que é usualmente utilizado para representar o ampop. Os terminais 1, (-) e 2 (+), são os terminais de entrada e o terminal 3 (vo) é o terminal de saída. vo. Figura 4 –Símbolo do ampop António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

com um terminal comum. A figura 5 mostra o ampop com as tensões de A alimentação de uma parte significativa dos ampops, é feita por duas fontes dc, com um terminal comum. A figura 5 mostra o ampop com as tensões de alimentação aplicadas aos terminais 4 e 5. O terminal 4 está ligado à tensão de alimentação positiva, V+, e o terminal 5 à negativa, V-. Figura 5 –Ampop com a fonte de alimentação dc. António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

A figura 6 apresenta a mesma informação de uma forma mais simplificada. Figura 6 – Representação simplificada do ampop com alimentação dc António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Figura 7 –Encapsulamento DIP (ampop 741). António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

A figura 8 identifica a correspondência entre os pinos desses encapsulamentos e os terminais do ampop. Figura 8– Correspondência entre os pinos do encapsulamento e os terminais do ampop (741). António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Características do amplificador ideal O amplificador operacinal é projectado para reagir à diferença entre os sinais aplicados às entradas inversora (-) e não-inversora (+), produzindo uma tensão de saída, vo dada por, v 0 = A(v+ - v- ) onde, A é um número positivo que representa o ganho de malha aberta do ampop; v+ é a tensão aplicada à entrada não-inversora; v- é a tensão aplicada à entrada inversora. António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

A resistência de saída do ampop deve ser nula, Os sinais de corrente produzidos por v+ e v- são nulos, a resistência de entrada do ampop é infinita, A resistência de saída do ampop deve ser nula, António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Na tabela 1, características ideais e reais do ampop. António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Conceito de realimentação Quando existe uma resistência ligada entre o terminal de saída, vo, e o terminal da entrada inversora (-), diz-se que o ampop tem realimentação negativa (figura 8); quando a resistência está ligada entre a saída, vo, e o terminal da entrada não inversora (+), diz-se que o ampop tem realimentação positiva (figura 9). Figura 8 – Ampop com realimentação negativa Figura 9 – Ampop com realimentação positiva António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Realimentação Negativa Curto-circuito virtual Considere-se o ampop com realimentação negativa ilustrado na figura 10. O ganho de malha fechada, A, é definido por, Figura 10 – Realimentação negativa António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Curto-circuito virtual (cont.) António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Curto-circuito virtual (cont.) Diz-se, então, que existe um curto-circuito virtual entre as entradas inversora, v+, e não-inversora, v-. O termo curto-circuito virtual significa que qualquer que seja a tensão presente em v+, ela aparece automaticamente em v-, devido ao ganho A tender para infinito. Quando v+ está ligado à massa, diz-se que v- é uma massa virtual, (figura 11) uma vez que, embora v- esteja ao potencial zero, devido ao curto-circuito virtual, ele não está fisicamente ligado à massa. Figura 11 – Curto-circuito virtual. António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Montagem inversora A montagem inversora consiste em um AmpOp e duas resistências: a resistência R2 ligada entre a saída e a entrada inversora, de forma a aplicar realimentação negativa no circuito; a resistência R1 é colocada entre a fonte de sinal e a entrada inversora e a entrada não-inversora é colocada à massa. Considerando o AmpOp como ideal pode concluir-se que a corrente em R1 é igual à corrente em R2, em valor absoluto. 2 1 1 Malha 1 Malha 2 Nó 1 António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Montagem Não-Inversora A montagem não-inversora consiste em um AmpOp e duas resistências de acordo com o esquema da figura abaixo. Considerando que o AmpOp é ideal, vd=0, e que as correntes de polarização são nulas, pode concluir-se que a corrente em R1 é igual à corrente em R2. António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Considerando somente a entrada Va Somador Inversor Uma montagem inversora pode ter várias entradas, como mostra a figura. A relação entre a tensão na saída, vo, e as tensões nas entradas, va e vb, pode obter-se utilizando o teorema da sobreposição. Pode concluir-se que a tensão vo pode ser dada pela expressão: Considerando somente a entrada Va Considerando somente a entrada Vb Considerando as duas entradas Va e Vb No caso particular em que as resistências são todas iguais, R1=R2=Ra=Rb=R, obtém-se a seguinte expressão para vo: Ou seja, a tensão na saída, à parte do sinal, é a soma das tensões nas entradas o que leva a que a montagem também seja designada por somador inversor. António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Amplificador Diferença (Subtractor) Considerando somente a entrada V2 António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Considerando somente a entrada V1 Considerando as duas entradas V1 e V2 António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Amplificador Diferença (Subtractor -2) Fazendo uma análise noval Como António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Seguidor de tensão Figura 15 – Circuito seguidor de tensão. António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Exercício António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Exercício 1 Considere um amplificador operacional com um ganho em malha aberta de A=103. O ampop é usado de acordo com a montagem representada na figura , sendo medidas as tensões v1, v2 e vo. Determine: a) v1 para v2=0 e vo=2 V; b) v1 para v2=5 V e vo=-10 V; c) vo para v1=1,002 V e v2=0,998 V; d) v2 para v1=-3,6 V e vo=-3,6 V. Figura Soluções: a) v1=-0,002 V; b) v1=5,01 V; c) vo= -4 V; d) v2=-3,6036 V. António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Exercício 2 O circuito da Fig. usa um ampop ideal, excepto quanto ao ganho A que é finito. Os instrumentos de medida indicam vo=3,5V quando vi=3,5V. Calcule o ganho A. António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

a) usando apenas as resistências R1 e R2; Exercício 3 Um amplificador inversor usa um ampop ideal e as resistências R1=33K e R2=330K. Calcule o ganho do amplificador nas seguintes condições: a) usando apenas as resistências R1 e R2; b) colocando em série com R1, uma resistência de 33K; c) colocando em paralelo com R1, a resistência de 33K. R: a) AV=-10V/V b) AV=-5V/V c) AV=-20V/V António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina

Considere o circuito da figura Exercício 4 Considere o circuito da figura expresse v0 em função das tensões de entrada v1 e v2; Calcule a amplitude de Vo para uma amplitude de V1 de 5 V e V2 de 4 V R: a) vO=10(v2-v1); b) vO=-10sin(ωt) António Roque/Luis Verissimo - Ano lectivo 2012/2013 CET - Electromedicina