No artigo a seguir, discutimos os principais parâmetros do amplificador operacional e os circuitos básicos de aplicação do amplificador operacional com equações, para resolver seus valores de componentes específicos.
Os amplificadores operacionais (amplificadores operacionais) são um tipo especializado de circuito integrado que inclui um amplificador de alto ganho acoplado diretamente com características de resposta geral ajustadas por um feedback.
O op-amp deriva seu nome do fato de poder executar uma ampla gama de cálculos matemáticos. Por causa de sua resposta, um op-amp também é conhecido como um circuito integrado linear e é o componente central de muitos sistemas analógicos.
Um amplificador operacional apresenta um ganho extraordinariamente alto (possivelmente próximo ao infinito), que pode ser ajustado por meio de um feedback. A adição de capacitores ou indutores à rede de realimentação pode resultar em ganho que muda com a frequência, afetando o estado operacional geral do circuito integrado.
Conforme mostrado na figura acima, o amplificador operacional fundamental é um dispositivo de três terminais com duas entradas e uma saída. Os terminais de entrada são classificados como 'inversores' ou 'não inversores'.
Parâmetros do amplificador operacional
Quando fornecido com tensões de entrada iguais, a saída do amplificador operacional ideal, ou 'amp op', é zero, ou '0 volts'.
VIN 1 = VIN 2 dá VOUT = 0
Amps operacionais práticos têm uma entrada balanceada de forma imperfeita, fazendo com que correntes de polarização desiguais fluam através dos terminais de entrada. Para equilibrar a saída do amplificador operacional, uma tensão de compensação de entrada deve ser fornecida entre os dois terminais de entrada.
1) Corrente de polarização de entrada
Quando a saída é balanceada, ou quando V FORA = 0, a corrente de polarização de entrada (I B ) é igual a metade do total de correntes individuais que entram nas duas conexões de entrada. Muitas vezes é um número muito pequeno; por exemplo, eu B = 100 nA é um valor normal.
2) Corrente de compensação de entrada
A diferença entre cada corrente individual que atinge os terminais de entrada é conhecida como corrente de compensação de entrada (I isto ). Novamente, muitas vezes é de valor extremamente baixo; por exemplo, um valor comum é I isto = 10nA.
3) Tensão de compensação de entrada
Para manter o amplificador operacional balanceado, uma tensão de compensação de entrada V isto precisa ser aplicado através do terminal de entrada. Normalmente o valor de V isto é = 1 mV.
Valores de eu isto e V isto ambos podem variar com a temperatura, e esta variação é referida como I isto deriva e V isto deriva, respectivamente.
4) Taxa de rejeição da fonte de alimentação (PSRR)
A relação da mudança na tensão de compensação de entrada para a mudança correspondente na tensão da fonte de alimentação é conhecida como taxa de rejeição da fonte de alimentação, ou PSRR. Isso geralmente está na faixa de 10 a 20 uV/V.
Parâmetros adicionais para amplificadores operacionais que podem ser mencionados são:
5) Ganho de malha aberta/Ganho de malha fechada
O ganho de malha aberta refere-se ao ganho de um amplificador operacional sem um circuito de feedback, enquanto o ganho de malha fechada refere-se ao ganho de um amplificador operacional com um circuito de feedback. Geralmente é representado como A d .
6) Taxa de rejeição de modo comum (CMRR)
Esta é a razão do sinal de diferença para o sinal de modo comum e serve como uma medida do desempenho de um amplificador diferencial. Usamos Decibéis (dB) para expressar essa proporção.
7) Taxa de variação
A taxa de variação é a taxa na qual a tensão de saída de um amplificador muda sob condições de grande sinal. É representado usando a unidade V/us.
Circuitos de aplicação básica de amplificador operacional
Nos parágrafos a seguir, aprenderemos sobre vários circuitos básicos de amplificadores operacionais interessantes. Cada um dos projetos básicos é explicado com fórmulas para resolver seus valores e recursos de componentes.
AMPLIFICADOR OU BUFFER
O circuito para um amplificador inversor, ou inversor, pode ser visto na Figura 1, acima. O ganho do circuito é dado por:
Desligado = - R2/R1
Observe que o ganho é negativo, indicando que o circuito opera como um seguidor de tensão inversora de fase, se as duas resistências forem iguais (ou seja, R1 = R2). A saída seria idêntica à entrada, com a polaridade invertida.
Na realidade, os resistores podem ser removidos para ganho unitário e substituídos por jumpers diretos, conforme mostrado na Fig. 2 abaixo.
Isso é possível porque R1 = R2 = 0 neste circuito. Normalmente, R3 é removido do circuito seguidor de tensão inversora.
A saída do amplificador operacional amplificará o sinal de entrada se R1 for menor que R2. Por exemplo, se R1 for 2,2 K e R1 for 22 K, o ganho pode ser expresso como:
Desligado = - 22.000/2.200 = -10
O símbolo negativo denota inversão de fase. As polaridades de entrada e saída são invertidas.
Ao tornar R1 maior que R2, o mesmo circuito também pode atenuar (diminuir a força de) o sinal de entrada. Por exemplo, se R1 for 120 K e R2 for 47 K, o ganho do circuito seria aproximadamente:
Desligado = 47.000/120.000 = - 0,4
Novamente, a polaridade da saída é o inverso da polaridade da entrada. Embora o valor de R3 não seja particularmente importante, deve ser aproximadamente igual à combinação paralela de R1 e R2. Qual é:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
Para demonstrar isso, considere nosso exemplo anterior, onde R1 = 2,2 K e R2 = 22 K. O valor de R3 nessa situação deve ser aproximadamente:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48.400.000/24.200 = 2000 Ω
Podemos escolher o valor de resistência padrão mais próximo para R3 porque o valor preciso não é necessário. Um resistor de 1,8 K ou 2,2 K pode ser usado neste caso.
A inversão de fase criada pelo circuito da Fig. 2 pode não ser aceitável em várias situações. Para usar o amplificador operacional como um amplificador não inversor (ou como um buffer simples), conecte-o conforme ilustrado na Fig. 3 abaixo.
O ganho neste circuito é expresso da seguinte forma:
Desligado = 1 + R2/R1
A saída e a entrada têm a mesma polaridade e estão em fase.
Tenha em mente que o ganho deve ser sempre no mínimo 1 (unidade). Não é possível atenuar (reduzir) sinais usando um circuito não inversor.
O ganho do circuito será comparativamente mais forte se o valor de R2 for significativamente maior que R1. Por exemplo, se R1 = 10 K e R2 = 47 K, o ganho do amplificador operacional será dado abaixo:
Desligado = 1 + 470.000/10.000 = 1 + 47 = 48
No entanto, se R1 for significativamente maior que R2, o ganho será apenas um pouco maior que a unidade. Por exemplo, se R1 = 100 K e R2 = 22 K, o ganho seria:
Desligado = 1 + 22.000/100.000 = 1 + 0,22 = 1,22
Caso as duas resistências sejam idênticas (R1 = R2), o ganho seria sempre 2. Para se convencer disso, experimente a equação de ganho em alguns cenários.
Uma situação específica é quando ambas as resistências são ajustadas para 0. Em outras palavras, como visto na Fig. 4 abaixo, conexões diretas são usadas no lugar dos resistores.
O ganho é exatamente um neste caso. Isso está de acordo com a fórmula de ganho:
Desligado = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
A entrada e a saída são idênticas. As aplicações para este circuito seguidor de tensão não inversora incluem casamento de impedância, isolamento e buffer.
ADDER (Amplificador Somador)
Várias tensões de entrada podem ser adicionadas usando um amplificador operacional. Conforme ilustrado na Fig. 5 abaixo, os sinais de entrada V1, V2,… Vn são aplicados ao amplificador operacional através dos resistores R1, R2,… Rn.
Esses sinais são então combinados para produzir o sinal de saída, que é igual à soma dos sinais de entrada. A seguinte fórmula pode ser usada para calcular o desempenho real do op-amp como um somador:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Veja o símbolo negativo. Isso significa que a saída foi invertida (a polaridade é invertida). Em outras palavras, este circuito é um somador inversor.
O circuito pode ser alterado para funcionar como um somador não inversor comutando as conexões para as entradas inversoras e não inversoras do amplificador operacional, conforme ilustrado na Fig. 6 abaixo.
A equação de saída pode ser simplificada assumindo que todos os resistores de entrada têm valores idênticos.
VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
A Fig. 7 acima mostra o circuito básico de um amplificador diferencial. Os valores dos componentes são definidos de modo que R1 = R2 e R3 = R4. Portanto, o desempenho do circuito pode ser calculado usando a seguinte fórmula:
VOUT = VIN 2 - VIN 1
Somente enquanto o amplificador operacional puder aceitar que as entradas 1 e 2 tenham impedâncias diferentes (a entrada 1 tem uma impedância de R1 e a entrada 2 tem uma impedância de R1 mais R3).
ADIADOR/SUBTRATOR
A Figura 8 acima mostra a configuração de um circuito somador/subtrator de amplificador operacional. No caso em que R1 e R2 têm os mesmos valores e R3 e R4 também são definidos para os mesmos valores, então:
VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)
Em outras palavras, Vout = V3 + V4 é o total das entradas V3 e V4 enquanto é a subtração das entradas V1 e V2. Os valores para R1, R2, R3 e R4 são selecionados para corresponder às características do amplificador operacional. R5 deve ser igual a R3 e R4, e R6 deve ser igual a R1 e R2.
MULTIPLICADOR
Operações simples de multiplicação podem ser feitas com o circuito visto na Fig. 9 acima. Tenha em mente que este é o mesmo circuito da Fig. 1. Para obter um ganho consistente (e subsequentemente uma multiplicação da tensão de entrada na relação R2/R1) e resultados precisos, resistores de precisão com os valores prescritos para R1 e R2 deve ser usado. Notavelmente, a fase de saída é invertida por este circuito. A tensão na saída será igual a:
VOUT = - (VIN x Desligado)
onde Av é o ganho, conforme determinado por R1 e R2. VOUT e VIN são as tensões de saída e entrada, respectivamente.
Como visto na Fig. 10 acima, a constante de multiplicação pode ser alterada se R2 for uma resistência variável (potenciômetro). Ao redor do eixo de controle, você pode montar um mostrador de calibração com marcas para vários ganhos comuns. A constante de multiplicação pode ser lida diretamente neste mostrador usando uma leitura calibrada.
INTEGRADOR
Um op-amp funcionará, no mínimo, teoricamente como um integrador quando a entrada inversora for acoplada à saída através de um capacitor.
Conforme indicado na Fig. 11 acima, um resistor paralelo deve ser conectado neste capacitor para manter a estabilidade DC. Este circuito implementa a seguinte relação para integrar o sinal de entrada:
O valor de R2 deve ser selecionado para corresponder aos parâmetros do amplificador operacional, de modo que:
VOUT = R2/R1 x VIN
DIFERENCIADOR
O circuito do amplificador operacional diferenciador inclui um capacitor na linha de entrada que se conecta à entrada inversora e um resistor que conecta essa entrada à saída. No entanto, este circuito tem limites claros, portanto, uma configuração preferível seria colocar em paralelo o resistor e o capacitor, conforme ilustrado na Fig. 12 acima.
A equação a seguir determina o desempenho deste circuito:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
AMPLIFICADORES DE LOG
O circuito fundamental (Fig. 13 acima) emprega um transistor NPN e um amplificador operacional para gerar uma saída proporcional ao log da entrada:
VOUT = (- k log 10 ) SEXTA-FEIRA o
O circuito 'invertido', funcionando como um amplificador anti-log fundamental, é representado no diagrama inferior. Normalmente, o capacitor é de baixo valor (por exemplo, 20 pF).
ÁUDIO AMP
Um amplificador operacional é essencialmente um amplificador CC, mas também pode ser aplicado para aplicações CA. Um amplificador de áudio simples é mostrado na Figura 14 acima.
MISTURADOR DE ÁUDIO
Uma modificação do amplificador de áudio é mostrada neste circuito (Fig. 15 acima). Você pode ver como ele se assemelha ao circuito somador na Fig. 5. Os diferentes sinais de entrada são combinados ou mesclados. O potenciômetro de entrada de cada sinal de entrada permite o ajuste de nível. As proporções relativas dos diferentes sinais de entrada na saída podem ser ajustadas pelo usuário.
DIVISOR DE SINAL
O circuito divisor de sinal visto na Fig. 16 acima é exatamente o oposto de um mixer. Um único sinal de saída é dividido em várias saídas idênticas que alimentam várias entradas. As múltiplas linhas de sinal são separadas umas das outras usando este circuito. Para ajustar o nível necessário, cada linha de saída inclui um potenciômetro separado.
TENSÃO PARA CONVERSOR DE CORRENTE
O circuito apresentado na Fig. 17 acima fará com que as impedâncias de carga R2 e R1 experimentem o mesmo fluxo de corrente.
O valor desta corrente seria proporcional à tensão do sinal de entrada e independente da carga.
No entanto, devido à alta resistência de entrada fornecida pelo terminal não inversor, a corrente será de valor relativamente baixo. Esta corrente tem um valor diretamente proporcional a VIN/R1.
CONVERSOR DE CORRENTE PARA TENSÃO
Se a tensão de saída for igual a IIN x R2 e o projeto (Fig. 18 acima) for usado, a corrente do sinal de entrada pode fluir diretamente através do resistor de feedback R2.
Em outras palavras, a corrente de entrada é transformada em uma tensão de saída proporcional.
O circuito de polarização criado na entrada inversora define um limite inferior no fluxo de corrente, o que impede que qualquer corrente passe por R2. Para eliminar o 'ruído', um capacitor pode ser adicionado a este circuito conforme ilustrado na figura.
FONTE ATUAL
A figura 19 acima mostra como um amplificador operacional pode ser usado como uma fonte de corrente. Os valores do resistor podem ser calculados usando as seguintes equações:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
A corrente de saída pode ser avaliada usando a seguinte fórmula:
Iout = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
MULTIVIBRADOR
Você pode adaptar um amplificador operacional para usar como multivibrador. A Fig. 20 acima mostra dois circuitos fundamentais. O design no canto superior esquerdo é um multivibrador de funcionamento livre (astável), cuja frequência é controlada por:
Um circuito multivibrador monoestável que pode ser ativado por uma entrada de pulso de onda quadrada pode ser visto no diagrama inferior direito. Os valores de componentes fornecidos são para um amplificador operacional CA741.
GERADOR DE ONDA QUADRADA
A Fig. 21 acima mostra um circuito gerador de onda quadrada funcional centrado em torno de um amplificador operacional. Este circuito gerador de ondas quadradas pode ser o mais simples. Apenas três resistores externos e um capacitor são necessários além do próprio amplificador operacional.
Os dois principais elementos que determinam a constante de tempo do circuito (frequência de saída) são o resistor R1 e o capacitor C1. No entanto, a conexão de feedback positivo baseada em R2 e R3 também tem um impacto na frequência de saída. Embora as equações sejam muitas vezes um pouco complicadas, elas podem ser simplificadas para razões R3/R2 específicas. Para ilustração:
Se R3/R2 ≈ 1,0 então F ≈ 0,5/(R1/C1)
ou,
Se R3/R2 ≈ 10 então F ≈ 5/(R1/C1)
O método mais prático é empregar uma dessas proporções padrão e alterar os valores de R1 e C1 para atingir a frequência necessária. Para R2 e R3, podem ser empregues valores convencionais. Por exemplo, a razão R3/R2 será 10 se R2 = 10K e R3 = 100K, assim:
F = 5/(R1/C1)
Na maioria dos casos, já estaremos cientes da frequência necessária e precisaremos apenas escolher os valores dos componentes apropriados. O método mais simples é primeiro escolher um valor C1 que pareça razoável e, em seguida, reorganizar a equação para encontrar R1:
R1 = 5/(F x C1)
Vejamos um exemplo típico de frequência de 1200 Hz que estamos procurando. Se C1 estiver conectado a um capacitor de 0,22uF, então R1 deve ter o valor conforme descrito na fórmula a seguir:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
Um resistor típico de 18K pode ser empregado na maioria das aplicações. Um potenciômetro pode ser adicionado em série com R1 para aumentar a utilidade e adaptabilidade deste circuito, conforme ilustrado na Fig. 22 abaixo. Isso torna possível ajustar manualmente a frequência de saída.
Para este circuito, os mesmos cálculos são usados, no entanto, o valor de R1 é alterado para corresponder à combinação em série do resistor fixo R1a e o valor ajustado do potenciômetro R1b:
R1 = R1a + R1b
O resistor fixo é inserido para garantir que o valor de R1 nunca caia para zero. A faixa de frequências de saída é determinada pelo valor fixo de R1a e a maior resistência de R1b.
GERADOR DE LARGURA DE PULSO VARIÁVEL
Uma onda quadrada é totalmente simétrica. O ciclo de trabalho do sinal de onda quadrada é definido como a razão entre o tempo de alto nível e o tempo total do ciclo. As ondas quadradas têm um ciclo de trabalho de 1:2 por definição.
Com apenas mais dois componentes, o gerador de ondas quadradas da seção anterior pode ser transformado em um gerador de ondas retangulares. A Fig. 23 acima mostra o circuito atualizado.
O diodo D1 restringe a passagem de corrente via R4 em semiciclos negativos. R1 e C1 compõem a constante de tempo, conforme expresso na seguinte equação:
T1 = 5/(2C1 x R1)
No entanto, em semiciclos positivos, o diodo pode conduzir, e a combinação paralela de R1 e R4 junto com C1 define a constante de tempo, conforme mostrado no cálculo a seguir:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
A duração total do ciclo é apenas o total das duas constantes de tempo de meio ciclo:
Tt = T1 + T2
A frequência de saída é o inverso da constante de tempo total de todo o ciclo:
F = 1/Tt
Aqui o ciclo de trabalho não será igual a 1:2 porque a constante de tempo para as seções de nível alto e baixo do ciclo será diferente. Formas de onda assimétricas serão produzidas como resultado. É possível tornar R1 ou R4 ajustável, ou mesmo ambos, mas esteja ciente de que isso alteraria tanto a frequência de saída quanto o ciclo de trabalho.
OSCILADOR DE ONDA SENOIDAL
A onda senoidal, que é mostrada na Fig. 24 abaixo, é o mais básico de todos os sinais CA.
Não há absolutamente nenhum conteúdo harmônico neste sinal extremamente puro. Existe apenas uma frequência fundamental em uma onda senoidal. Na verdade, criar uma onda senoidal completamente pura e sem distorção é bastante difícil. Felizmente, usando um circuito oscilador construído em torno de um amplificador operacional, podemos chegar bem perto de uma forma de onda ideal.
A Fig. 25 acima mostra um circuito oscilador de onda senoidal convencional que incorpora um amplificador operacional. Um circuito twin-T servindo como filtro de rejeição de banda (ou notch) serve como rede de feedback. O capacitor C1 e os resistores R1 e R2 formam um T. C2, C3, R3 e R4 formam o outro T. O esquema o inverteu. Os valores dos componentes devem ter as seguintes relações para que este circuito funcione corretamente:
A seguinte fórmula determina a frequência de saída:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
Ao alterar o valor do R4, o ajuste da rede de feedback twin-T pode ser ajustado um pouco. Normalmente, isso pode ser um pequeno potenciômetro de aparador. O potenciômetro é ajustado para sua resistência mais alta e, em seguida, reduzido gradualmente até que o circuito fique à beira da oscilação. A onda senoidal de saída pode ser corrompida se a resistência for ajustada muito baixa.
GATILHO SCHMITT
Tecnicamente falando, um gatilho Schmitt pode ser referido como um comparador regenerativo. Sua função principal é transformar uma tensão de entrada que está mudando lentamente em um sinal de saída, em uma determinada tensão de entrada.
Em outras palavras, ele tem uma propriedade de 'retrocesso' chamada histerese que funciona como um 'gatilho' de tensão. O amplificador operacional torna-se o bloco de construção básico para a operação de disparo Schmitt (veja a Fig. 26 acima). Os seguintes fatores determinam a tensão de disparo ou desarme:
DENTRO viagem = (V Fora x R1) / (-R1 + R2)
Neste tipo de circuito, a histerese é o dobro da tensão de disparo.
Na Fig. 27 abaixo, outro circuito de disparo Schmitt é representado. Neste circuito, diz-se que a saída é 'disparada' quando a entrada CC atinge cerca de um quinto da tensão de alimentação.
A tensão de alimentação pode estar em qualquer lugar entre 6 e 15 volts, portanto, dependendo da tensão de alimentação escolhida, o gatilho pode ser configurado para operar em 1,2 a 3 volts. Se necessário, o ponto de disparo real também pode ser alterado modificando o valor de R4.
A saída será a mesma que a tensão de alimentação assim que for acionada. Se a saída estiver conectada a uma lâmpada incandescente ou LED (através de um resistor de lastro em série), a lâmpada (ou LED) acenderá quando a tensão de entrada atingir o valor de disparo, indicando que esse nível de tensão preciso foi alcançado na entrada.
Empacotando
Então, esses foram alguns circuitos básicos de amplificadores operacionais com seus parâmetros explicados. Espero que você tenha entendido todas as características e fórmulas relacionadas a um amplificador operacional.
Se você tiver qualquer outro projeto de circuito de amplificador operacional básico que você acha que precisa ser incluído no artigo acima, sinta-se à vontade para mencioná-lo através de seus comentários abaixo.
