Esta é uma das primeira versões de artigo que publicamos tratando do funcionamento de amplificadores operacionais. A versão é de 1978, mas o leitor pode encontrar no site versões mais modernas.
Existe uma vasta literatura sobre circuitos integrados de amplificadores operacionais, apresentando curvas, fórmulas e circuitos que revelam as principais características desses componentes.
Entretanto, frequentemente, os que pretendem usar esses dispositivos sentem dificuldades em selecionar as informações que são realmente úteis em seus projetos, se embaraçando com as demais informações por não saber interpreta-las. Neste artigo focalizamos os amplificadores operacionais no que se refere às suas características elétricas e as especificações encontradas nos manuais.
Podemos definir de maneira simplificada um amplificador operacional como um amplificador de tensão de alto-ganho com acoplamento direto possuindo um único terminal de saída, mas duas entradas: uma que permite a inversão do sinal de saída em relação a entrada, e outra não inversora (figura 1).
Os amplificadores operacionais, podem ser utilizados nas mais diversas aplicações práticas como osciladores, amplificadores de corrente contínua e alternada para sensores, instrumentos, etc., como filtros de tonalidade, comutadores de nível etc.
Um dos mais populares amplificadores operacionais disponível na forma de circuito integrado é o 741, cujas características já foram fornecidas em diversas ocasiões em outros artigos, assim como muitas de suas aplicações práticas.
Em torno deste circuito integrado de amplificador operacional discutiremos o funcionamento deste tipo de dispositivo e daremos os exemplos práticos.
Conhecendo suas características o leitor não terá problemas em realizar seus próprios projetos com amplificadores operacionais.
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO
Um amplificador operacional consiste basicamente num amplificador de tensão, ou seja, podemos obter em sua saída uma variação de tensão muito maior do que a variação de tensão aplicada em suas entradas.
Conforme vimos, os amplificadores operacionais possuem duas entradas: uma entrada inversora marcada com o sinal (-) e uma entrada não inversora marcada com o sinal (+).
Quando a variação da tensão aplicada na entrada (+) se faz num sentido, a variação da tensão na saída do circuito se faz no mesmo sentido (figura 2).
Por outro lado, ao ser aplicado o sinal na entrada inversora (-), a variação da tensão de saída se faz em sentido contrário à da tensão de entrada (figura 3).
Como em condições normais o ganho dos amplificadores operacionais é muito elevado, na amplificação podem ocorrer distorções prejudiciais à finalidade do projeto. Nestas condições, com a finalidade, de se controlar o ganho do amplificador e também de reduzir a distorção, é utilizado um circuito externo de realimentação negativa, conforme o mostrado na figura 4.
O ganho do amplificador será então dado pela relação existente entre os resistores R1 e R2. Normalmente, para os amplificadores do tipo 741, o ganho sem realimentação é da ordem de 100 000. Nas aplicações práticas entretanto, a faixa de ganho do amplificador é fixada entre 1 e 1 000.
POLARIZAÇÃO
Na figura 5 temos uma configuração denominada com terra virtual. Nesta configuração, a entrada. inversora é mantida ligada à terra, e a entrada inversora é mantida para a realimentação negativa que fixa o ganho do dispositivo.
A impedância de entrada do circuito para este caso é dado pelo próprio valor de R1, enquanto que a impedância de saída é dada pela seguinte expressão:
Zout = ( Zs x Gr ) / G
Zout = impedância de saída
Zs = impedância de saída do amplificador operacional
Gr = ganho do amplificador com realimentação
G : ganho do amplificador sem realimentação.
No caso de um amplificador com ganho 100, por exemplo, e uma impedância de entrada de 100 k, podemos utilizar os seguintes componentes externos: R1 deve ter um valor igual ao da impedância de entrada, ou seja:
R1 = 100 k
R2 deve ser 100 vezes maior que R1, ou seja:
R2 : 10 M
Se aplicarmos à entrada deste circuito um sinal senoidal de 0,1 V de amplitude, teremos em sua saída um sinal de 10 V de amplitude, também senoidal (figura 6).
Para o circuito da figura 6 ocorrem, entretanto, alguns problemas que em certas aplicações devem ser eliminados. Este problema consiste no fato de que a senoide obtida na saída não é simétrica em relação ao potencial de referência (0 V).
Na verdade, se desligarmos a entrada do circuito, veremos que na ausência de sinal não teremos uma tensão nula de saída, mas esta tenderá a um valor positivo considerável. Em suma, "em repouso" a tensão de saída não é nula, como deveria ser.
Este problema é causado pela necessidade de uma corrente de polarização de base na entrada.
A entrada de um amplificador operacional consiste em um par diferencial como o mostrado na figura 7.
Para que este par funcione corretamente é preciso que a corrente de emissor dos transistores seja constante. Se uma das entradas estiver diretamente ligada à terra como no circuito tomado como exemplo, haverá um desequilíbrio entre as correntes de emissor e o resultado será esta tendência do sinal de saída se deslocar para valores positivos.
Esse efeito pode ser compensado pela utilização de um resistor ligado entre a entrada não inversora e a terra, conforme mostra a figura 8.
O valor deste resistor deve ser equivalente ao obtido pela ligação de R1 em paralelo com R2.
Chamando de R3 este componente, podemos calcular então seu valor pela expressão:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
Para o nosso circuito este resistor é da ordem de 99 k.
R3 = 99 k
Com a utilização deste resistor, as tensões nas duas entradas se mantém próximas e com isso, na ausência de sinal de entrada a tensão de saída tende a 0.
Dizemos “tende à zero" porque, os transistores não podem ter exatamente as mesmas características elétricas. Há, portanto, uma tendência da tensão de saída fugir de “0" na ausência de sinal. Isso, entretanto, pode ser facilmente compensado por um ajuste externo denominado "Off-set Voltage Adjustement".
Na figura 9 temos a ligação de um resistor variável que pode ser usado para esta finalidade.
Bandwidth ou Largura de Faixa
De posse do amplificador tomado como exemplo no item anterior, suponhamos que a senóide aplicada à sua entrada tenha uma frequência de 100 kHz.
Ao observarmos a forma de onda obtida na saída veremos que ela está muito longe de ser uma senóide. Na verdade a distorção introduzida faz com que ela tende a uma forma triangular, conforme mostra a figura 10.
Essa distorção se deve ao fato do amplificador operacional, nesta frequência não poder acompanhar as variações da tensão entrada. Essa velocidade, segundo a qual a tensão de saída pode aumentar ou diminuir de valor, é indicada pela expressão inglesa "slew rate" (taxa de crescimento), sendo da ordem de 0,5 V/us para o 741.
Outro problema que influi na resposta de frequência do amplificador operacional, é o produto ganho x faixa passante. Para o caso do 741, esse produto é de 1 MHz, o que significa que o produto do ganho do amplificador pela frequência de operação não deve exceder 1 MHz.
Por exemplo, se fizermos o amplificador operacional operar com um ganho de 1 000, esse ganho só será obtido para sinal até 1 kHz porque: 1000 x 1 kHz = 1MHz
Se o amplificador operar com ganho 100, o sinal já poderá ir até 10 000 Hz, porque:
100 x 10000 Hz = 1 MHz
Na figura 11, temos um gráfico que demonstra bem este fenômeno.
A curva I mostra o ganho sem realimentação. Verifique que este ganho cai rapidamente ã medida que a frequência aumenta. Esta curva mostra uma atenuação de 20 dB por oitava, a qual tem por origem um capacitor de 30 pF existente no interior do próprio integrado, o qual não pode ser eliminado.
A curva ll mostra que, para um ganho de 100 vezes, este se mantém constante até a frequência de 10 kHz, a partir do que cai rapidamente.
CORRENTES E TENSÕES DE SAÍDA
Os amplificadores operacionais fornecem uma tensão de saída, se bem que existem tipos destinados a fornecer uma corrente de saída. Assim, se a saída de um amplificador operacional for curtocircuitada, podem circular pelo componente correntes muito elevadas, às quais podem causar a sua destruição.
Muitos amplificadores operacionais possuem uma proteção interna contra curtocircuitos de modo que sua saída pode ficar indefinidamente curtocircuitada com a terra. Para o caso do 741, existe uma proteção que limita a corrente de saída em 25 mA.
OPERAÇÃO DIFERENCIAL
O que vimos no exemplo de aplicação foi a operação do amplificador de modo que o sinal de entrada era aplicado, tendo como referência a terra. Em alguns casos o sinal a ser aplicado é feito entre as duas entradas do amplificador, ou seja, deseja-se aplicar na realidade uma diferença de tensões para ser amplificada. Dizemos nestas condições que o amplificador opera de modo diferencial (figura 12).
Na mesma figura, 12, temos as fórmulas que permitem encontrar os valores dos resistores para esta configuração.
Na operação diferencial, se aplicarmos as duas entradas, duas ondas senoidais de mesma amplitude, conforme mostra a figura 13, o resultado será um "cancelamento" de modo que o amplificador as ignorará, mantendo nula a tensão de saída.
Dizemos nestas condições que o amplificador opera “de modo comum" e uma característica importante a ser considerada num amplificador é de quanto ele é capaz de ignorar as duas "ondas" de entrada aplicadas.
A maneira segundo a qual os sinais de modo comum são rejeitados é Expressa pela relação CCRR (Common Mode Rejection Ratio) sendo tipicamente de 90 dB para o caso do 741.
Isso quer dizer que duas senoides de mesma amplitude aplicadas simultaneamente às duas entradas produzem um sinal de saída de 33 uV se sua amplitude for de 1 V.
O AMPLIFICADOR OPERACIONAL 741
O amplificador 741 pode ser obtido de diversos fabricantes, os quais mudam eventualmente apenas sua denominação, acrescentando prefixos indicativos de sua origem, ou então fornecendo-os com novas denominações. Em todos os casos entretanto, os tipos podem ser substituídos entre si, sem problemas.
Na figura 14, temos dois invólucros mais comuns para o 741 .
São as seguintes as suas principais características elétricas:
Ao - Ganho sem realimentação (Open--Loop Voltage Gain) - 100 dB.
Zin - impedância de entrada (Input lmpedance) - 1 M ohms.
Zo - impedância de saída (output impedance) - 150 ohms.
Ib - corrente de polarização (input bias current) - 200 mA.
Vsmax- máxima tensão de alimentação 18 - 0 - 18 V.
Vimax - máxima tensão de entrada – 13 - 0 - 13 V.
Vomax- máxima tensão de saída – 14 - 0 - 14 V.
CMMR - Rejeição de modo comum - 90 dB.
fT - frequência de transição - 1 MHz.
S - velocidade da variação de tensão (slew rate) - 1 V/us.
