Amplificadores Operacionais (Operational amplifier)

Amplificadores operacionais

 

Um amplificador operacional (Ampop), é um amplificador com um ganho muito elevado. É constituído por duas entradas: uma designada por terminal inversor, de sinal negativo(-), e outra designada por terminal não inversor, sinal positivo(+). A tensão na saída, é a diferença das duas entradas, sendo assim multiplicado pelo ganho de malha aberta.

 

                           

                                                                                                                                                                                  

Os seus terminais são:

• V₊: entrada não-inversora
• V₋: entrada inversora
• V₀: saída
• V_cc+: alimentação positiva
• V_cc-: alimentação negativa

Figs. - Ilustração do ampop e respetiva legenda.

Amplificador Ideal (ideal amplifier)

Amplificador Ideal

Para obtermos o amplificador ideal devemos ter as seguintes condições:

• Impedância de entrada infinita ( resistência tão grande que não consegue entrar no amplificador, impedindo que a corrente saia à L=0).

• Malha em ganho aberto infinito à quando o mínimo sinal entra pretendendo que o que sai seja o maior possível (ud=0).

• Não existe uma largura de banda infinita (0à +∞), só trabalha entre certas frequências, caso contrário, começa a distorcer.

Introdução à parte prática

Introdução à parte prática

Para seguirmos para a parte prática, necessitamos primeiro de um componente LM741. De uma breadbord, e de uma fonte, osciloscópio e gerador de sinais.

Fig. - Fonte de alimentação e gerador de sinais                                 

                                                                                                 
                                                                                                      

Fig. - Componente LM741

 

Fig. - Osciloscópio

Comparador Inversor (comparator inverter)

Trabalhos Práticos

1)   Comparador Inversor

 Para iniciarmos este trabalho prático precisamos de:

• Duas resistências de 10k
•  Uma resistência de 2k
•  LM741

Este é o nosso primeiro trabalho prático, de facto, o mais simples para se iniciar o estudo do amplificador.

Eis o esquema acima referido, montado na breadbord. Agora vamos proceder com as ligações à fonte, e a injetar o sinal, e por fim comprovar todo o trabalho ,as ondas do sinal no osciloscópio.

Aqui já temos todas as ligações devidamente feitas. Injetamos o sinal(Vi) na primeira resistência de 10k, que esta está ligada à porta 2 do nosso componente, e ligamos a outra de 10k, à massa. O canal 1(Ch1) do osciloscópio fica conectado ao perne da segunda resistência de 10k (ligada à porta 3) e o canal 2(Ch2) ao perne da resistência de 2k.

 Aqui temos a fonte e o gerador de sinais. Na fonte temos 15v a serem injetados nas duas entradas, e no gerador podemos observar a frequência de entrada.

Por fim, podemos comprovar o seu comportamento, e a variação das ondas no osciloscópio. E está concluído o nosso primeiro trabalho.

Comparador não Inversor (comparator non inverting)

2)    Comparador não inversor

Este segundo trabalho, no fundo é o inverso do anterior, como o próprio nome indica, e então os componentes são os mesmos, apenas mudam a injeção do sinal(gerador de sinais), e a ligação da outra resistência massa, e claro, as ligações necessárias da fonte de alimentação.

Fig. – Circuito do comparador não inversor

Como podemos observar pela imagem, é exatamente o mesmo que referimos acima, onde a injeção do sinal, vai-se dar na segunda resistência de 10k(porta 3), e a outra resistência de 10k vai estar ligada à massa.

 Como foi dito, aqui está a montagem na breadboard referente à figura acima postada. Podemos observar a injeção do sinal, as ligações referentes à fonte de alimentação e também as do osciloscópio, que iram mostrar-nos duas ondas diferentes, que a imagem abaixo comprova.

Podemos observar que a saída está saturada, e muda de estado quando e+=e-, passando então este sinal ter a mesma polarização que o sinal de entrada, estando a aplicar o sinal de excitação na entrada não inversora.

Amplificador não Inversor (non inverting amplifier)

3)    Amplificador não inversor

Fig.- Amplificador não inversor

Neste circuito vamos inserir mais uma resistência de 20k

Nota: Pela falta de resistências de 20k, optamos por uma de 15k.

Como podemos observar, lá está a resistência de 15k, cuja função é tornar o circuito “não inversor”, ou seja, é denominado assim pelo fato de que o sinal de saída está desfasado 180º em relação ao sinal de entrada, ou seja, ele inverte o sinal de entrada.

Nota-se no osciloscópio, que o sinal da saída não satura, devido à sua realiementaçao negativa, e como o sinal da entrada, também tem a mesma polaridade, porque estamos a aplicar o sinal de excitação na entrada não inversora do ampop.

Amplificador inversor (inverting amplifier)

4) Amplificador Inversor

Este é o nosso quarto trabalho o amplificador inversor.

Este é o nosso circuito montado na bredboard. A resistência mais abaixo é a resistência onde ligamos o gerador de sinais. Esta vai ligar ao negativo do ampop. A resistência que se encontra pouco mais acima está ligada à massa e ao perno positivo do ampop. A próxima resistência é a que liga RI á resistência da saída. A próxima é a da saída.

Esta é a imagem que nos mostra o sinal que obtivemos. O canal 1 (curva azul) mostra-nos o sinal de entrada. O canal 2 (curva amarela) mostra-nos o sinal de saída.

O sinal está invertido em relação ao sinal de entrada porque o sinal de excitação é aplicada na entrada inversora do amplificador operacional.

Comparador com histerese não inversor (non-inverting comparator with hysteresis)

5) Comparador com histerese não inversor

Este é o nosso quinto trabalho o comparador com histerese não inversor.

A montagem deste trabalho é quase igual ao anterior. A diferença é que em vez de ejectar o sinal na resistência que se encontra mais a baixo é na seguinte. Para fazer isto basta ligar a entrada da resistência onde se ejecta o sinal ao gerador de sinais, a outra vamos ligar à massa.

Como sempre o nosso sinal de entrada é o canal 1(a linha azul) e à saída é o canal 2 (a linha amarela). O sinal de saída está saturado, tem a mesma polaridade que o sinal de entrada e muda de estado em 2 níveis diferentes do sinal de entrada formando um ciclo de histerese. Devido à realimentação positiva a comutação é mais rápida.

Comparador com histerese inversor (inverting comparator with hysteresis)

6) Comparador com histerese inversor

O nosso sexto trabalho é o comparador com histerese inversor.

Este é o nosso circuito montado na bredboard. Neste circuito vamos ejectar o sinal na resistência que se encontra mais a baixo liga ao negativo do ampop (pino 2 do CI). A resistência que se encontra logo a cima é a resistência R liga ao positivo(pino3 do CI) e a entrada da mesma ligamos a massa.  Nesta resistência vamos ligar a nossa nR (terceira resistência a contar de baixo para cima). Esta liga à resistência final.

Para medir o sinal colocamos uma ficha à entrada do circuito e outra à saída.

O nosso sinal na entrada é o canal 1 (a linha azul). O sinal que obtemos à saída é o do canal 2 (a linha amarela). O diagrama esquemático do comparador com histerese (realimentação positiva) é muito parecido com o diagrama esquemático de amplificador (realimentação negativa). O comportamento do circuito é muito diferente devido à diferença fundamental no tipo de realimentação.

Multivibrador(oscilador de relaxação)

7)    Multivibrador (oscilador de relaxação)

Este circuito é um circuito oscilador, ou seja não necessita de gerador de funções para funcionar, como os exercícios anteriores. Existem dois tipos de realimentação: a positiva e a negativa. A instabilidade que se dá entre estas duas realimentações(e onde podemos observar no osciloscópio), reflete-se como uma oscilação, por isso se da o nome de oscilador de relaxação.

Podemos observar que agora temos duas resistências de 20k ligadas à resistência  de 10k, e estas também ligadas ao condensador de 100nF (entrada) e à de 2k (saída). O condensador e a resistência (ligadas à entrada), estão também ligados entre si.

No osciloscópio, o sinal de saída esta saturado, ou seja, este tem a mesma polaridade que o sinal de entrada, e estas muda de estado entre dois níveis diferentes do sinal de entrada(chamados os pontos de trip), formando um ciclo de histerese.

Conclusão

Conclusão

E assim esta concluído o nosso trabalho pratico da introdução aos amplificadores, e com isto podemos reter que:

• Cada um dos circuitos, apenas alterando um, ou dois componentes de lugar, ou acrescentando um outro, implementamos diversos circuitos de comportamentos diferentes.

• A função do "Ampop" depende da utilidade destes mesmos componentes.

• Observamos grande diferença entre a realimentação negativa e positiva.

• Como a tensão aplicada no terminal de entrada, a da saída também tem a mesma polaridade, quando aplicada na entrada não inversora, e o oposto quando aplicada na entrada inversora.

• É muito fácil trabalhar com amplificadores, e assim podemos explorar muitas mais maneiras de comportamento do mesmo.