Um Amplificador Operacional (amp-op) é um amplificador diferencial de ganho muito elavado com uma impedância de entrada muito alta e baixa impedância de saída. Tipicamente o amp-op é usado para se obter amplitudes variáveis de tensão (amplitude polaridade), osciladores, circuitos de filtros e muitos tipos de circuitos de instrumentação.
O amplificador operacional é uma unidade de circuito de importância universal. Embora os amp op's já estivessem sendo usados há muito tempo, suas aplicações eram inicialmente nas áreas de computação e instrumentação analógicas. No início , os amp op's eram construídos de componentes discretos (válvulas e depois transistores e resistores) que elevava o seu custo (algumas dezenas de dólares) . Por volta da metade dos anos 60, foi produzido o primeiro circuito intergrado (CI). Esta unidade (uA 709) era feita com um número relativamente alto de transistores e resistores todos em uma mesma pastilha de silício. Embora susas características fossem pobres (comparadas com os padrões atuais) e seu custo fosse ainda muito alto, seu surgimento sinalizou uma nova era no projeto de circuitos eletrônicos. Os engenheiros eletrônicos iniciaram o uso dos amp op's em larga escala, o que causou uma queda dramática no seu preço. Eles exigiram também uma melhor qualidade dos amp op's. Os fabricantes de semicondutores responderam prontamente e num espaço de poucos anos, amp op's de alta qualidade já estavam disponiveis no comércio com preço extremamente baixo (dezenas de centavos de dólares) por um grande número de fornecedores.
Uma das razões da popularidade do amp op é a sua versatilidade, sendo que podemos fazer quase tudo com os amp op's. É importânte também o fato de o CI amp op ter características muito próximas das que supomos ideais. Além disso, os circuitos com amp op trabalharam com níveis muito próximos daqueles que projetamos num funcionamento teórico.
Representação Gráfica
Para que não fosse necessário desenhar todo o circuito interno do amplificador operacional quando for usar em almguma aplicação, cria-se, então um símbolo que represente este circuito.
Este é o símbolo acima representa o amplificador operacional. A entrada não inversora é representada com + e a entrada inversora com -.
Parametros do Amp Op
Impedância de Entrada e Saída
Podemos demonstrar a impedância de entrada como rent na figura abaixo.
A impedância de entrada do amp-op é a do amp-diferencial:
rent = 2ßr´e
Podemos estabelecer a impedância padrão de um amp-op 741. Sabendo que a corrente de cauda do amp-diferencial é aproximadamente 15µA e como cada emissor retira metade desta valor , temos:
r´e = 25mV / 7,5µ = 3,33KW
Cada transistor da entrada possui um ß típico de 300, portanto:
rent = 2 (300)(3,33KW) = 2MW
A impedância de saída é definida pelo circuito Thevenin de saída, como mostra a figura:
A fonte de tensão CA é definida como o ganho multiplicado pela diferença entre as tensões de entrada: VTH = A(v1 - v2) Em um típico 741, a impedância de saída é aproximadamente 75W.
Av em Malha Aberta
O ganho diferencial em malha aberta de uma amp op não é infinito; melhor dito, ele é finito e diminui com a frequencia. Com os números típicos de vários amp ops de aplicações gerais, tipo de amp op que é produzido por muitos fabricantes de semicondutores.
Este ganho é definido por A que é geralmente informado pelos fabricantes.
Operação Modo-Comum
Quando os mesmos sinais de entrada são aplicados a ambas as entradas, resulta em operação modo-comum. Idealmente, as duas entradas são igualmente amplificadas e uma vez que elas resultam em sinais de polaridades opostas na saída, estes sianis se cancelam, resultando em, teoricamente, 0 V. Praticamente, um pequeno sinal de saída resultará.
CMRR
Para se medir a qualidade de um amplificador usa-se a relação abaixo, onde quanto maior o valor de CMRR, maior será a qualidade do amplificador:
ou
Largura de Banda
Por causa dos circuitos de compensação interna incluídos num amp op, o ganho de tensão cai com o aumento da frequência. As especificações dos do amp op fornecem uma descrição do ganho versus banda passante. A figura abaixo fornece uma curva do ganho versus a frequencia para um amp op típico. Em baixas frequencias, próximo à operação dc, o ganho é aquele valor listado pelas especificações do fabricante Avd (ganho de tensão diferencial) e é tipicamente um valor muito grande. Quando a frequencia do sinal de entrada aumenta, o ganho de malha aberta cai, até finalmente atingir o valor de 1. A frequencia neste valor de ganho é especificada pelo fabricante como banda passante de ganho unitário (B1). Enquanto este valor é uma frequencia na qual o ganho torna-se 1, pode ser considerada uma banda passante, uma vez que a banda de frequencia de 0 Hz até a frequencia de ganho unitário é tambem uma banda passante. Pode-se, portanto, referir-se a esse ponto, no qual o ganho reduz-se a 1, como a frequencia de ganho unitário (f1) ou banda passante de ganho unitário (B1).
Slew Rate
Um outro fenômeno que pode causar um distorção linear quando grandes sinais estão presentes na saída é a taxa de limitação de inclinação (Slew rate). A taxa de limitação de inclinação fornece um parâmetro especificando a máxima taxa de mudança de tensão de saída quando é aplicado um grande sinal de entrada em forma de degrau. Se alguém tentar acionar a saída numa taxa de variação de tensão maior que a taxa de limitação de inclinação, a saída não será capaz de variar suficientemente rápido, e não variará sobre a faixa completa esperada, resultando num sinal cortado ou distorcido.
Ajuste de Off-set
Pelo fato de os amp op's serem dispositivos diretamente acoplados com alto ganho em cc, eles são propícios aos problemas que envolvem cc. Um desses primeiros problemas é a tensão de offset. Para entender esse problema considere o seguinte experimento teórico: se os dois terminais do amp op forem ligados jutos e conectados ao terra, será observado que existe uma tensão cc finita na saída. Realmente, se o amp op tem um alto ganho cc, a saída poderá, devido a fato de os transitores na serem extamente iguais, estar em um dos dois níveis de saturação positivo ou negativo. Para solucionar este problema do amp op retornando-se ao seu valor ideal de 0v conectando-se uma fonte cc de polaridade inversa e valor apropriado entre seus terminais de entrada. Essa fonte externa compensa a tensão de entrada de offset do amp op. Implica que a tensão de entrada de offset dever ser de valor igual mas de polaridade oposta à tensão aplicada externamente.
Amplificador Ideal
O amp op é considerado como um sensor da diferença entre os sinais de tensão aplicados nos dois terminais de entrada, multiplicando-se esse valor por um número A, resulta em uma tensão A(v1-v2), que aparece no terminal de saída.
Num amp op ideal é suposto que nenhuma corrente de entrada seja drenada; isto é, a corrente do sinal no terminal não inversor e a corrente do sinal no terminal inversor são ambas iguais a zero. Em outras palavras, a impedância de entrada do amp op é supostamente infinita.
O amp op responde apenas à diferença de sinal v1-v2 e portanto ignora qualquer sinal comum a ambas as entradas. Isto é, se v1=v2, então a saída será - teoricamente - zero. A essa propriedade damos o nome de rejeição em modo comum, e concluímos que um amp op ideal tem uma razão de rejeição em modo comum infinita.
Uma caracteristica importante dos amp op's é que eles são dispositivos diretamente acoplados, visto que um amplificador diretamente acoplado é aquele que amplifica sinais cujas frequências podem variar de zero ao infinito. O fato de os amp op's serem diretamente acoplados permitirá seu uso em aplicações muito importantes. Infelismente, no entanto, a propriedade do acoplamento direto pode causar alguns problemas sérios.
O amp op ideal deve ter um valor de ganho A muito alto ou mesmo infinito. Surge então uma pergunta justificável: se o ganho A é infinito, como iremos usar o amp op? A resposta é muito simples: em quase todas as aplicações, o amp op não será usado na configuração malha aberta. Em vez disso, vamos aplicar uma realimentação para fechar a malha en torno do amp op, controlando então o ganho.
Amplificador Real
O amp op real há uma pequena corrente de entrada; isto é, a corrente do sinal no terminal não inversor e a corrente do sinal no terminal inversor são ambas próximas a zero. Em outras palavras, a impedância de entrada do amp op não é infinita.
O amp op responde apenas à diferença de sinal v1-v2 e portanto ignora qualquer sinal comum a ambas as entradas. Isto é, se v1=v2, então a saída será - teoricamente - zero. Mas na realidade, a razão rejeição em modo comum apresenta uma grande CMRR.
Os amp op's possuem, teoricamente, seus terminais diretamente acoplados e podem amplificar sinais cujas frequências variam de zero ao infinito. Esta vantagem de acoplamento direto pode causar alguns problemas sérios. Estes problemas são causados pelo fato de que os transistores não são exatamente iguais, mas felismente é possível sanar este parâmetro indesejado aplicando-se uma tensão de mesmo valor e polaridade oposta.
O amp op, idealmente, possui um ganho A infinito. Mas como isso é impossível de ser alcançado tem-se um valor bastante elevado, porém finito.
Amplificador Comercial