Aplicações de amplificadores operacionais - Operational amplifier applications

Este artigo ilustra algumas aplicações típicas de amplificadores operacionais . O circuito equivalente de um amplificador operacional não ideal tem uma impedância de entrada finita, uma impedância de saída diferente de zero e um ganho finito. Um amplificador operacional real tem uma série de recursos não ideais, conforme mostrado no diagrama, mas aqui uma notação esquemática simplificada é usada, muitos detalhes como seleção de dispositivo e conexões de fonte de alimentação não são mostrados. Os amplificadores operacionais são otimizados para uso com feedback negativo e este artigo discute apenas as aplicações de feedback negativo. Quando um feedback positivo é necessário, um comparador geralmente é mais apropriado. Consulte os aplicativos de comparação para obter mais informações.

Considerações práticas

Requisitos de parâmetros de amplificadores operacionais

Para que um determinado dispositivo seja usado em um aplicativo, ele deve atender a certos requisitos. O amplificador operacional deve

  • têm grande ganho de sinal de malha aberta (ganho de tensão de 200.000 é obtido nos primeiros exemplos de circuito integrado), e
  • têm impedância de entrada grande em relação aos valores presentes na rede de feedback.

Com esses requisitos atendidos, o amplificador operacional é considerado ideal e pode-se usar o método de aterramento virtual para captar de forma rápida e intuitiva o 'comportamento' de qualquer um dos circuitos do amplificador operacional abaixo.

Especificação de componente

Os resistores usados ​​em circuitos práticos de amp op de estado sólido estão normalmente na faixa de kΩ. Resistores muito maiores do que 1 MΩ causam ruído térmico excessivo e tornam a operação do circuito suscetível a erros significativos devido à polarização ou correntes de fuga.

Correntes de polarização de entrada e deslocamento de entrada

Os amplificadores operacionais práticos consomem uma pequena corrente de cada uma de suas entradas devido aos requisitos de polarização (no caso de entradas baseadas em transistor de junção bipolar) ou vazamento (no caso de entradas baseadas em MOSFET).

Essas correntes fluem através das resistências conectadas às entradas e produzem pequenas quedas de tensão nessas resistências. O projeto apropriado da rede de feedback pode aliviar os problemas associados às correntes de polarização de entrada e ao ganho de modo comum, conforme explicado abaixo. A regra heurística é garantir que a impedância "olhando para fora" de cada terminal de entrada seja idêntica.

Na medida em que as correntes de polarização de entrada não coincidem, haverá uma tensão de deslocamento de entrada efetiva presente, o que pode levar a problemas no desempenho do circuito. Muitas ofertas comerciais de amplificadores operacionais fornecem um método para ajustar o amplificador operacional para equilibrar as entradas (por exemplo, pinos de "deslocamento nulo" ou "equilíbrio" que podem interagir com uma fonte de tensão externa conectada a um potenciômetro). Como alternativa, uma tensão externa ajustável pode ser adicionada a uma das entradas para equilibrar o efeito de compensação. Nos casos em que um projeto exige que uma entrada seja curto-circuitada para o aterramento, esse curto-circuito pode ser substituído por uma resistência variável que pode ser ajustada para mitigar o problema de deslocamento.

Amplificadores operacionais que usam estágios de entrada baseados em MOSFET têm correntes de fuga de entrada que serão, em muitos projetos, insignificantes.

Efeitos da fonte de alimentação

Embora as fontes de alimentação não sejam indicadas nos projetos de amplificadores operacionais (simplificados) abaixo, elas estão presentes e podem ser críticas no projeto de circuitos do amplificador operacional.

Ruído de alimentação

As imperfeições da fonte de alimentação (por exemplo, ondulação do sinal de energia, impedância da fonte diferente de zero) podem levar a desvios perceptíveis do comportamento operacional ideal do amplificador. Por exemplo, amplificadores operacionais têm uma taxa de rejeição de fonte de alimentação especificada que indica quão bem a saída pode rejeitar sinais que aparecem nas entradas de fonte de alimentação. As entradas da fonte de alimentação costumam ser ruidosas em projetos grandes porque a fonte de alimentação é usada por quase todos os componentes do projeto e os efeitos da indutância evitam que a corrente seja fornecida instantaneamente a todos os componentes de uma vez. Como consequência, quando um componente requer grandes injeções de corrente (por exemplo, um componente digital que frequentemente muda de um estado para outro), os componentes próximos podem sofrer queda em sua conexão com a fonte de alimentação. Este problema pode ser mitigado com o uso apropriado de capacitores de bypass conectados em cada pino e aterramento da fonte de alimentação. Quando rajadas de corrente são exigidas por um componente, o componente pode contornar a fonte de alimentação recebendo a corrente diretamente do capacitor próximo (que é então recarregado lentamente pela fonte de alimentação).

Usando correntes de fonte de alimentação no caminho do sinal

Além disso, a corrente puxada para o amplificador operacional da fonte de alimentação pode ser usada como entradas para circuitos externos que aumentam as capacidades do amplificador operacional. Por exemplo, um amplificador operacional pode não ser adequado para uma aplicação particular de alto ganho porque sua saída seria necessária para gerar sinais fora da faixa segura gerada pelo amplificador. Nesse caso, um amplificador push-pull externo pode ser controlado pela corrente de entrada e saída do amplificador operacional. Assim, o próprio amplificador operacional pode operar dentro de seus limites especificados de fábrica, embora ainda permitindo que o caminho de feedback negativo inclua um grande sinal de saída bem fora desses limites.

Amplificadores

O primeiro exemplo é o amplificador diferencial, a partir do qual muitas das outras aplicações podem ser derivadas, incluindo amplificador inversor , não inversor e somador , seguidor de tensão , integrador , diferenciador e girador .

Amplificador diferencial (amplificador de diferença)

Amplificador diferencial op-amp.svg

Amplifica a diferença de voltagem entre suas entradas.

O nome "amplificador diferencial" não deve ser confundido com o " diferenciador ", que também é mostrado nesta página.
O " amplificador de instrumentação ", que também é mostrado nesta página, é uma modificação do amplificador diferencial que também fornece alta impedância de entrada .

O circuito mostrado calcula a diferença de duas tensões, multiplicada por algum fator de ganho. A tensão de saída

Ou, expresso como uma função da entrada de modo comum V com e da entrada de diferença V dif :

a tensão de saída é

Para que este circuito produza um sinal proporcional à diferença de tensão dos terminais de entrada, o coeficiente do termo V com (o ganho de modo comum) deve ser zero, ou

Com esta restrição em vigor, a taxa de rejeição de modo comum deste circuito é infinitamente grande, e a saída

onde a expressão simples R f / R 1 representa o ganho de malha fechada do amplificador diferencial.

O caso especial quando o ganho de malha fechada é a unidade é um seguidor diferencial, com

Amplificador inversor

Amplificador Inversor Op-Amp.svg

Um amplificador de inversão é um caso especial do amplificador diferencial na qual não-inversora do circuito que V 2 está ligado à terra, e inversora V 1 é identificado com V em cima. O ganho de malha fechada é R f / R in , portanto

.

O circuito simplificado acima é como o amplificador diferencial no limite de R 2 e R g muito pequeno. Neste caso, porém, o circuito estará suscetível a desvio de corrente de polarização de entrada devido à incompatibilidade entre R f e R in .

Para ver intuitivamente a equação de ganho acima, calcule a corrente em R em :

então lembre-se que esta mesma corrente deve estar passando por R f , portanto (porque V - = V + = 0):

Uma analogia mecânica é um balanço, com o V - nó (entre R em e R F ) como o fulcro, ao potencial da terra. V in está a um comprimento de R in do fulcro; V out tem um comprimento R f . Quando V in desce "abaixo do solo", a saída V out aumenta proporcionalmente para equilibrar a gangorra e vice-versa .

Como a entrada negativa do amplificador operacional atua como um aterramento virtual, a impedância de entrada deste circuito é igual a R in .

Amplificador não inversor

Amplificador não inversor Op-Amp.svg

Um amplificador de não inversão é um caso especial do amplificador diferencial na qual a entrada inversora do circuito que V 1 está ligado à terra, e não-inversora V 2 é identificado com V em cima, com R 1 » R 2 . Referindo-se ao circuito imediatamente acima,

.

Para ver intuitivamente esta equação de ganho, use a técnica de aterramento virtual para calcular a corrente no resistor R 1 :

então lembre-se que esta mesma corrente deve estar passando por R 2 , portanto:

Ao contrário do amplificador inversor, um amplificador não inversor não pode ter um ganho inferior a 1.

Uma analogia mecânica é uma alavanca de classe 2 , com um terminal de R 1 como ponto de apoio, no potencial de terra. V in está a um comprimento R 1 do fulcro; V out está em um comprimento R 2 mais adiante. Quando V in sobe "acima do solo", a saída V out aumenta proporcionalmente com a alavanca.

A impedância de entrada do amplificador não inversor simplificado é alta:

onde Z dif é a impedância de entrada do amplificador operacional para sinais diferenciais, e A OL é o ganho de tensão de malha aberta do amplificador operacional (que varia com a frequência), e B é o fator de feedback (a fração do sinal de saída que retorna à entrada). No caso do amplificador operacional ideal, com A OL infinito e Z dif infinito, a impedância de entrada também é infinita. Neste caso, porém, o circuito será suscetível a desvio de corrente de polarização de entrada por causa da incompatibilidade entre as impedâncias que conduzem as entradas V + e V - op-amp.

O loop de feedback diminui de forma semelhante a impedância de saída:

onde Z out é a impedância de saída com feedback e Z OL é a impedância de saída de malha aberta.

Seguidor de tensão (amplificador de buffer de unidade)

Buffer Op-Amp Unity-Gain.svg

Usado como um amplificador de buffer para eliminar os efeitos de carregamento (por exemplo, conectar um dispositivo com uma impedância de fonte alta a um dispositivo com uma impedância de entrada baixa ).

(realisticamente, a impedância de entrada diferencial do próprio amplificador operacional (1 MΩ a 1 TΩ), multiplicada pelo ganho de malha aberta do amplificador operacional)

Devido ao feedback forte (isto é, ganho de unidade ) e certas características não ideais de amplificadores operacionais reais, este sistema de feedback tende a ter margens de estabilidade pobres . Consequentemente, o sistema pode ficar instável quando conectado a cargas suficientemente capacitivas. Nesses casos, uma rede de compensação de atraso (por exemplo, conectando a carga ao seguidor de tensão por meio de um resistor) pode ser usada para restaurar a estabilidade. A folha de dados do fabricante para o amplificador operacional pode fornecer orientação para a seleção de componentes em redes de compensação externa. Alternativamente, outro amplificador operacional pode ser escolhido com uma compensação interna mais apropriada.

A impedância de entrada e saída é afetada pelo loop de feedback da mesma forma que o amplificador não inversor, com B = 1.

Amplificador somador

Amplificador Somador Op-Amp.svg

Um amplificador somador soma várias tensões (ponderadas):

  • Quando , e independente
  • Quando
  • A saída está invertida
  • A impedância de entrada do n ° de entrada é ( é uma terra virtual )

Amplificador de instrumentação

Amplificador de Instrumentação Op-Amp.svg

Combina impedância de entrada muito alta , alta rejeição de modo comum , baixo deslocamento DC e outras propriedades usadas para fazer medições muito precisas e de baixo ruído

Osciladores

Oscilador ponte Wien

Osc.svg clássico de ponte de Wien

Produz uma onda senoidal de distorção muito baixa . Usa compensação de temperatura negativa na forma de uma lâmpada ou diodo.

Filtros

Os amplificadores operacionais podem ser usados ​​na construção de filtros ativos , fornecendo funções passa-alta, passa-baixa, passa-banda, rejeição e atraso. A alta impedância de entrada e o ganho de um amplificador operacional permitem o cálculo direto dos valores dos elementos, permitindo a implementação precisa de qualquer topologia de filtro desejada com pouca preocupação com os efeitos de carregamento dos estágios do filtro ou dos estágios subsequentes. No entanto, as frequências nas quais os filtros ativos podem ser implementados são limitadas; quando o comportamento dos amplificadores se afasta significativamente do comportamento ideal assumido no projeto elementar dos filtros, o desempenho do filtro é degradado.

Comparador

Op-Amp Comparator.svg

Um amplificador operacional pode, se necessário, ser forçado a atuar como um comparador. A menor diferença entre as tensões de entrada será enormemente amplificada, fazendo com que a saída oscile para quase a tensão de alimentação. No entanto, geralmente é melhor usar um comparador dedicado para esse propósito, já que sua saída tem uma taxa de variação mais alta e pode alcançar qualquer um dos trilhos da fonte de alimentação. Alguns amplificadores operacionais têm diodos de fixação na entrada que impedem o uso como comparador.

Integração e diferenciação

Integrador inversor

O integrador é usado principalmente em computadores analógicos , conversores analógico para digital e circuitos de formação de onda.

Amplificador Integrador Op-Amp.svg

Integra (e inverte) o sinal de entrada V em ( t ) ao longo de um intervalo de tempo t , t 0 < t < t 1 , produzindo uma tensão de saída no tempo t = t 1 de

onde V out ( t 0 ) representa a tensão de saída do circuito no tempo t = t 0 . Isso é o mesmo que dizer que a tensão de saída muda ao longo do tempo t 0 < t < t 1 por um valor proporcional ao tempo integral da tensão de entrada:

Este circuito pode ser visto como um filtro eletrônico passa-baixa , com um único pólo em CC (ou seja, onde ) e com ganho.

Em uma aplicação prática, encontra-se uma dificuldade significativa: a menos que o capacitor C seja periodicamente descarregado, a tensão de saída irá eventualmente desviar para fora da faixa operacional do amplificador operacional. Isso pode ser devido a qualquer combinação de:

  • A entrada V in tem um componente DC diferente de zero,
  • A corrente de polarização de entrada é diferente de zero,
  • A tensão de deslocamento de entrada é diferente de zero.

Um circuito um pouco mais complexo pode melhorar os dois segundos problemas e, em alguns casos, o primeiro também.

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Aqui, o resistor de feedback R f fornece um caminho de descarga para o capacitor C f , enquanto o resistor em série na entrada não inversora R n , quando do valor correto, alivia a corrente de polarização de entrada e os problemas de modo comum. Esse valor é a resistência paralela de R i e R f , ou usando a notação abreviada ||:

A relação entre o sinal de entrada e o sinal de saída é agora

Invertendo o diferenciador

Amplificador Diferencial Op-Amp.svg

Diferencia o sinal (invertido) ao longo do tempo:

onde e são funções do tempo.

A função de transferência do diferenciador inversor tem um único zero na origem (isto é, onde a frequência angular ). As características passa-altas de um amplificador diferenciador podem levar a desafios de estabilidade quando o circuito é usado em um servo loop analógico (por exemplo, em um controlador PID com um ganho derivativo significativo). Em particular, como uma análise do local da raiz mostraria, o aumento do ganho de feedback levará um pólo de malha fechada em direção à estabilidade marginal no DC zero introduzido pelo diferenciador.

Elementos sintéticos

Girador de indutância

Op-Amp Gyrator.svg

Simula um indutor (ou seja, fornece indutância sem o uso de um indutor possivelmente caro). O circuito explora o fato de que a corrente que flui através de um capacitor se comporta ao longo do tempo como a voltagem através de um indutor. O capacitor usado neste circuito é menor do que o indutor que simula e sua capacitância está menos sujeita a mudanças de valor devido a mudanças ambientais. As aplicações onde este circuito pode ser superior a um indutor físico estão simulando uma indutância variável ou simulando uma indutância muito grande.

Este circuito é de uso limitado em aplicações que dependem da propriedade EMF posterior de um indutor, pois esse efeito será limitado em um circuito giratório às fontes de tensão do amplificador operacional.

Conversor de impedância negativa (NIC)

Op-Amp Negative Impedance Converter.svg

Cria um resistor com um valor negativo para qualquer gerador de sinal.

Neste caso, a relação entre a tensão de entrada e a corrente de entrada (portanto, a resistência de entrada) é dada por:

Em geral, os componentes , e não precisa ser resistores; eles podem ser qualquer componente que possa ser descrito com uma impedância .

Não linear

Retificador de precisão

Retificador de Precisão Op-Amp.svg

A queda de tensão V F através do diodo polarizado direto no circuito de um retificador passivo é indesejada. Nesta versão ativa, o problema é resolvido conectando o diodo na malha de realimentação negativa. O op-amp compara a tensão de saída na carga com a tensão de entrada e aumenta sua própria tensão de saída com o valor de VF . Como resultado, a queda de tensão V F é compensada e o circuito se comporta quase como um ( super ) diodo ideal com V F = 0 V.

O circuito tem limitações de velocidade em alta frequência por causa do feedback negativo lento e devido à baixa taxa de variação de muitos amplificadores operacionais não ideais.

Saída logarítmica

Amplificador Logarítmico Op-Amp.svg

  • A relação entre a tensão de entrada V in e a tensão de saída V out é dada por:
onde I S é a corrente de saturação e V T é a tensão térmica .
  • Se o amplificador operacional for considerado ideal, o pino de entrada inversora está virtualmente aterrado, de modo que a corrente fluindo para o resistor da fonte (e, portanto, através do diodo para a saída, uma vez que as entradas do amplificador operacional não consomem corrente) é:
onde I D é a corrente através do diodo. Como se sabe, a relação entre a corrente e a tensão de um diodo é:
Isso, quando a tensão é maior que zero, pode ser aproximado por:
Colocando essas duas fórmulas juntas e considerando que a tensão de saída é o negativo da tensão no diodo ( V out = - V D ), a relação é comprovada.

Esta implementação não considera a estabilidade da temperatura e outros efeitos não ideais.

Saída exponencial

Amplificador Exponencial Op-Amp.svg

  • A relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída é dada por:

onde é a corrente de saturação e é a tensão térmica .

  • Considerando o amplificador operacional ideal, então o pino negativo é virtualmente aterrado, então a corrente através do diodo é dada por:

quando a tensão é maior que zero, pode ser aproximada por:

A tensão de saída é dada por:

Outras aplicações

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

links externos