Circuitos integrados, Componentes eletrônicos, Eletrônica, Eletrônica analógica, Instrumentação, Semicondutores

Amplificador operacional: como funciona?

O amplificador operacional, ou amp-op, tem grande utilidade na eletrônica. Neste post, é mostrado o funcionamento deste circuito integrado (CI).

Funcionamento

Tem duas entradas, uma inversora (Inverting input) e outra não-inversora (Non inverting input) e, uma saída (Out).

Diagrama do amplificador operacional.
A representação esquemática do amp-op.

O amp-op pode ser alimentado por uma fonte simples de tensão contínua ou uma fonte simétrica. Este tipo de fonte possui três terminais: tensão positiva, terra (GND) e tensão negativa. Para usar uma fonte simples, o Vee deve ser ligado ao terra (GND). Para alimentar o amp-op com fonte simétrica, o terminal de tensão negativa deve ficar ligado ao Vee.

Amplificador operacional alimentado por uma fonte dupla.
O amplificador operacional alimentado por uma fonte dupla ou simétrica. Fonte: Mundo Projetado.

Amp-op ideal e o terra virtual

Um amp-op ideal teria uma impedância de entrada infinita, uma impedância de saída igual a zero, um ganho de tensão infinito em malha aberta e o componente seria imune às variações de temperatura.

Em análise de circuitos com este componente, é comum usar o conceito de terra virtual. Consiste em considerar ambas as tensões na entrada do amp-op como zero, mesmo que V2 não esteja eletricamente conectado ao terra. Fonte: electroSome.
Circuito equivalente do amplificador operacional.
O circuito equivalente do amplificador operacional. Fonte: embarcados.

Em um amplificador operacional ideal, a impedância de saída (Z_{out}) é zero, portanto:

V_{out}=A\cdot V_{in}

V_{in} é a diferença entre as tensões V_{p} e V_{n}. Como o ganho de tensão A é infinito,

V_{in}=\frac{V_{out}}{A}=\frac{V_{out}}{\infty}=0

V_{in}=V_{p}-V_{n}

V_{p}=V_{n}

O terra virtual é útil para analisar circuitos com amp-op, cujo ganho é muito grande. Permitindo cálculos mais simples com uma boa aproximação.

O amplificador operacional real

Um amp-op real tem uma alta impedância de entrada, baixa impedância de saída, alto ganho em malha aberta, porém são limitados. Também existe uma tensão de offset, ou desvio, que é um valor de tensão na saída quando os terminais de entrada estão em curto-circuito. Os amplificadores reais também possuem o slew rate (SR), ou taxa de inflexão, que é a taxa máxima de variação de tensão na saída, medida em V/\mu s (volts por microssegundo).

Função de transferência do amplificador operacional.
Este gráfico é a função de transferência do amplificador operacional real. vO e vD são a tensão de saída e a diferença de tensão entre as duas entradas respectivamente. Em um amp-op real, para que vO seja zero, é necessário aplicar uma diferença de tensão nas entradas (V_{OS}). VO_{min} e VO_{max} são os valores mínimo e máximo para o amplificador obter a saturação. A região entre os valores de saturação é a linear, onde o amp-op deve atuar. Fonte: Mundo Projetado.

Outra diferença importante é a faixa de frequência de operação ou largura de banda. Um amp-op ideal teria a largura de banda infinita, operaria da mesma forma em qualquer frequência nos terminais da entrada. Enquanto o real possui uma faixa de frequência limitada, onde o seu ganho é constante e este decai ao passar do limite da largura de banda.

Um gráfico mostrando a queda do ganho (Voltage Gain) quando a frequência do sinal na entrada passa de um determinado valor. Fonte: MPS.

Dentro do amplificador operacional

O amp-op é um circuito complexo, formado por muitos transistores, resistores e outros componentes.

esquemático do amplificador operacional LM741
O esquemático do amplificador operacional LM741 é encontrado no datasheet deste componente. O diagrama varia muito entre os modelos de amp-ops.
4 amplificadores operacionais em um chip.
Alguns circuitos integrados contêm dois ou quatro amp-ops. Fonte: jf-parede.pt.

Polarização do amplificador operacional

  • Malha aberta: não há controle de ganho e é usado em circuitos comparadores.
  • Realimentação positiva: a entrada positiva é ligada à saída. Por ser instável, é usado em osciladores. 
  • Realimentação negativa: é a polarização mais usada, serve para filtros ativos, amplificadores, fazer operações matemáticas, etc.

Publicarei outros posts sobre análise de circuitos com amp-ops e projetos usando este componente.

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