Compreendendo os amplificadores operacionais: Parte 1

20 de junho de 2024 Roberto Magalhães

Um amplificador é um circuito que pode produzir uma tensão de saída, que é o produto da tensão de entrada por um valor denominado ganho de tensão. Um amplificador operacional (amplificador operacional) é uma espécie de circuito amplificador que pode realizar uma operação (adição, subtração etc.) nas tensões de entrada, além de simplesmente amplificar a entrada.

Um amplificador operacional (amplificador operacional) é um circuito eletrônico feito de vários dispositivos ativos (transistores) e dispositivos passivos (resistores, capacitores) etc., que é capaz de realizar as seguintes características comuns:

– ganho de tensão extremamente alto

-pode amplificar a corrente de entrada na saída

-pode inverter a tensão de entrada na saída

-pode produzir uma soma de tensões de entrada na saída

-pode produzir uma soma de correntes de entrada na saída

2) História do amplificador operacional

Para cada invenção significativa na história, deve haver um tempo antes de tal invenção em que houve necessidade de tal coisa. Antes dos amplificadores operacionais também existiam amplificadores. Mas eles foram projetados apenas para ganho constante. Eles foram feitos com tubos de vácuo e outros componentes. Além disso, o ganho máximo de um amplificador específico era limitado pelas especificações do tubo de vácuo.

Isso foi realmente um problema, especialmente na rede telefônica dos primeiros dias. As linhas telefônicas costumavam ter milhares de metros de extensão e amplificadores precisam ser implementados para amplificação do sinal. Os amplificadores daquela época tinham menos ganho e eram muito sensíveis à temperatura e umidade. Em cada ponto da rede, amplificadores com ganhos diferentes foram projetados e implementados separadamente.

Os engenheiros de telefonia dos laboratórios Bell estavam tentando descobrir uma solução para isso. Finalmente, um engenheiro chamado Harry Black teve uma ideia. Projete um circuito amplificador geral com ganho muitas vezes maior do que qualquer requisito normal e, em seguida, reduza o ganho de acordo com os níveis necessários usando um sistema de feedback negativo com esse amplificador. Os laboratórios Bell projetaram com sucesso esse circuito usando tubos de vácuo antes de 1940. Essa ideia engenhosa desencadeou a era dos amplificadores operacionais.

O termo amplificador operacional apareceu pela primeira vez em uma patente produzida por Karl D. Swartzel do Bell Labs em 1941. Este amplificador era capaz de realizar uma operação de soma nas tensões de entrada.

Primeiro circuito de amplificador operacional

(cabeçalho = História do amplificador operacional Contd…)

O circuito acima foi capaz de adicionar as tensões de entrada marcadas como A, B e C. A realimentação negativa foi aplicada através de um resistor variável marcado como 16 no circuito. Este circuito de amplificador operacional tinha apenas um terminal de entrada que inverte a entrada. Discutiremos sobre entrada inversora e entrada não inversora posteriormente neste artigo.

Em 1947, Loebe Julie desenvolveu um amplificador operacional com dois terminais de entrada (inversor e não inversor), como vemos nos amplificadores operacionais atuais. O primeiro amplificador operacional comercial foi lançado pela GAP/R incorporado com base no design de Loebe Julie. O nome do modelo era GAP/R K2-W.

Primeiro amplificador operacional comercial

Os primeiros computadores analógicos operavam com base na soma de tensões e os amplificadores operacionais eram amplamente utilizados neles para operações de tensão. Isso tornou o termo amplificador operacional muito popular na indústria eletrônica.

Após a invenção dos transistores, eles substituíram os tubos de vácuo em todos os circuitos possíveis. Conseqüentemente, também nos amplificadores operacionais, os volumosos tubos de vácuo foram substituídos pelos transistores. Este foi o início do projeto de módulos de circuito de amplificador operacional. Eles foram construídos em uma placa de circuito de pequeno porte, que pode ser facilmente conectada a outras placas de circuito maiores. Isso resulta em considerar o amplificador operacional como um componente eletrônico em si, embora seja construído com a ajuda de outros componentes básicos. GAP/R também produziu um amplificador operacional de estado sólido comercial, o nome do modelo era GAP/R P45.

Primeiro amplificador operacional comercial de estado sólido

Mais tarde descobriu-se que vários transistores podem ser integrados em um único chip de silício e, assim, o tamanho de todo o circuito pode ser reduzido várias vezes. Por volta da década de 1960, foram desenvolvidos chips integrados (IC) baseados em transistores. Os amplificadores operacionais foram os primeiros circuitos baseados em transistores integrados aos CIs. Foi a Fairchild Semiconductor quem lançou o primeiro IC comercial de amplificador operacional, o ?A702. Foi em 1968 que o clássico e mais bem-sucedido CI de amplificador operacional de todos os tempos, o ?A741, foi lançado pela Fairchild. Foi desenhado por Dave Fullagar. Ainda hoje o mesmo design é produzido pela Fairchild e também por outros fabricantes.

uA741

(header= Blocos funcionais básicos de um amplificador operacional)

3) Blocos funcionais básicos de um amplificador operacional

Como já mencionamos, embora o amplificador operacional seja considerado um componente eletrônico, na verdade ele é feito de vários outros componentes eletrônicos básicos, como transistores, resistores, capacitores, etc. Quase todos os ICs de amplificadores operacionais possuem internamente a mesma funcionalidade básica. blocos, construídos pelos componentes eletrônicos básicos. Esses blocos funcionais são, a saber,

– Amplificador diferencial de entrada

– Amplificador de tensão

– Amplificador de potência de saída

3.1) Amplificador diferencial de entrada

Um amplificador diferencial é o módulo mais importante dentro de um amplificador operacional. As tensões de entrada são aplicadas aos pinos do bloco amplificador diferencial. Vamos discutir detalhadamente o amplificador diferencial.

Um amplificador normal amplifica toda a tensão do sinal em relação ao terra e é alimentado na saída. E esses amplificadores normalmente têm uma única entrada e obviamente uma única saída. Por exemplo, se dermos 5V como entrada com referência ao terra para um amplificador normal e o ganho de tensão do amplificador for, digamos, 2, então a saída será de 10V, desde que o circuito receba uma tensão de alimentação superior a 10V.

Amplificador de tensão

No circuito mostrado acima, você pode ver um amplificador que está conectado a uma fonte de alimentação de 20V e tem um ganho de tensão de 2. Quando uma tensão de 5V é alimentada no único pino de entrada, a saída será de 10V. O GND é considerado um ponto de referência comum tanto para a tensão de entrada quanto para a tensão de saída.

O amplificador diferencial, por outro lado, amplifica apenas a diferença entre as duas tensões de entrada. Por exemplo, se o ganho do amplificador diferencial for, digamos, 2, e se dermos uma tensão de 3V a um de seus pinos de entrada e no outro pino daremos uma tensão, digamos 5V. Agora a diferença entre essas duas tensões, ou seja, (3~5=2) é amplificada e estará disponível na saída. Portanto, a tensão de saída é 2V*2=4V.

Portanto, um amplificador diferencial típico rejeita ou mascara o efeito da tensão de modo comum em sua saída. Tensão de modo comum significa a tensão que é comum a ambos os pinos de entrada. Por exemplo, se aplicarmos uma tensão de 5V a uma entrada e 3V a outro pino de entrada, a tensão de modo comum será 3V.

Portanto, se as tensões de entrada forem,

Tensão de entrada1, V1 = 5V,

Tensão de entrada2, V2 = 3V, então

Tensão de modo comum = 3V, e

Tensão diferencial = 5 ~ 3 = 2V

Tensão diferencial

O amplificador diferencial simplesmente rejeita a tensão de modo comum e amplifica apenas a tensão diferencial.

Amplificador diferencial

Os amplificadores diferenciais possuem basicamente duas fontes de alimentação, duas entradas e duas saídas. As duas saídas são então combinadas em uma única saída usando um circuito chamado espelhos de corrente. As tensões nos pinos de entrada são chamadas de tensão de entrada diferencial e as tensões nos dois pinos de saída são chamadas de saídas diferenciais.

Amplificador diferencial baseado em transistor

(cabeçalho= Amplificador Diferencial de Entrada Cont.…)

No circuito acima, existem dois terminais de entrada, marcados como Vin+ e Vin-. A tensão de saída é obtida diferencialmente através dos coletores de dois transistores.

Os dois pinos de saída podem ser combinados em um único pino de saída usando um diferencial para conversão de terminação única. Chamamos esse circuito de conversão de espelho de corrente.

Espelho de corrente no amplificador diferencial

A entrada inversora produz uma tensão amplificada negativa em sua saída e a entrada não inversora produz uma tensão amplificada positiva em sua saída. O conversor diferencial para terminal único converte essa tensão diferencial em tensão de terminal único.

Conversão de término único

Vejamos o exemplo da Figura: 7. Suponha que 5V seja aplicado ao pino não inversor e o 3V é aplicado ao pino inversor do amplificador diferencial. O ganho do amplificador é 2 e, portanto, o pino não inversor resulta em uma tensão de saída de 2*5=10V e o pino inversor resulta em uma tensão de -2*3=-6V. Após a conversão de terminação única, a tensão de saída será 10-6, ou seja, 4V.

Exemplo de conversão de terminação única

Conforme mostrado na Figura: 6 e Figura: 7, uma das principais vantagens do amplificador diferencial entre os tipos de amplificadores normais é a rejeição de tensão de modo comum. Suponha que temos uma entrada de duas linhas e estamos aplicando as duas linhas de entrada aos pinos de entrada de um amplificador diferencial. Suponha que de alguma forma um ruído entre nas linhas de entrada e afete ambas as linhas igualmente. Como o ruído é comum para ambas as entradas, ele será rejeitado na saída amplificada. Conseqüentemente, obtemos um sinal amplificado sem ruído na saída.

Como o amplificador diferencial produz apenas a tensão do sinal na saída, podemos evitar o volumoso capacitor de acoplamento na extremidade de saída.

O amplificador diferencial normalmente é realizado usando BJT ou MOSFET com dois dispositivos idênticos e os chamamos de par diferencial

3.2) Amplificador de Tensão

Um amplificador é um dispositivo que pode simplesmente produzir uma tensão ou corrente de saída, que é o produto da tensão ou corrente de entrada por um valor denominado ganho. Portanto, um amplificador de tensão é um amplificador que pode produzir um ganho de tensão na saída. O ganho é a razão entre a tensão de saída e uma determinada tensão de entrada e é expresso em decibéis (dB).

ganho = tensão de saída/tensão de entrada

ganho = 10log (tensão de saída/tensão de entrada) dB

Em um amplificador operacional, a saída do amplificador diferencial é amplificada usando um amplificador de ganho muito alto, geralmente são usados amplificadores do tipo Classe A.

(cabeçalho = amplificador de potência de saída)

3.3) Amplificador de potência de saída

A saída do amplificador de tensão pode ter tensões amplificadas, mas sua intensidade de corrente é muito menor. Esses sinais serão facilmente carregados na saída. Portanto é necessário amplificar sua potência amplificando a corrente, mantendo a mesma tensão na saída. Esse tipo de amplificador é chamado de amplificador de corrente, amplificador de buffer, seguidor de emissor, etc. Em 741 classAB, o seguidor de emissor push-pull é usado.

3.4) Arquitetura interna do 741

Diagrama interno de 741

Na figura acima, você pode ver os pinos de entrada, a entrada não inversora e a entrada inversora fazem parte do amplificador diferencial de entrada. Esta seção está marcada dentro do retângulo azul.

O pino de saída se origina das formas do amplificador de potência push-pull pelos transistores Q14 e Q20. Esta seção está marcada com um retângulo de cor ciano. O amplificador de tensão está marcado dentro do retângulo de cor magenta. O retângulo vermelho que inclui os transistores de Q8 a Q13 destaca os espelhos de corrente.

(cabeçalho = símbolo do amplificador operacional e fonte de alimentação dupla)

4) Símbolo do amplificador operacional

O bloco funcional mais importante do amplificador operacional é um amplificador diferencial. É apropriado dizer que o amplificador operacional nada mais é do que um amplificador diferencial com ganho muito alto. Conseqüentemente, o símbolo de um amplificador operacional é o mesmo símbolo que usamos para representar um amplificador diferencial. O símbolo a seguir é compartilhado tanto pelo amplificador diferencial quanto pelos amplificadores operacionais.

Símbolo para amplificador operacional

5) Fonte de alimentação dupla

Na própria figura acima, você pode ver que duas fontes de alimentação são usadas. +Vsupply representa tensão positiva e –Vsupply representa fonte de alimentação negativa. Supõe-se que essas tensões de alimentação tenham magnitude igual em relação a um ponto comum (terra GND), mas com polaridade oposta. Chamamos essa fonte de alimentação de fonte de alimentação dupla.

A maioria dos ICs de amplificadores operacionais requer fonte de alimentação dupla para seu funcionamento adequado.

Portanto, antes de começarmos com qualquer circuito de amplificador operacional, devemos desenvolver uma fonte de alimentação dupla. Vamos ver como projetar uma fonte de alimentação dupla.

Lembre-se de que uma fonte de alimentação dupla não possui apenas uma tensão positiva e negativa, mas também possui um terminal de aterramento. Além disso, a magnitude das tensões positivas e negativas em relação ao solo deve ser exatamente a mesma.

Podemos realizar tal circuito usando um simples divisor de potencial, como mostrado abaixo.

Fornecimento duplo simples

Os resistores devem ser do mesmo tipo e mesmo valor. O único problema com o circuito acima é o efeito de carregamento. Se o lado positivo ou negativo estiver muito carregado em comparação com o outro lado, o circuito poderá ficar desequilibrado.

Além disso, se você está se perguntando onde obter essas tensões de alimentação positivas e negativas, vamos ver o circuito a seguir. Possui um transformador abaixador, retificador e CIs reguladores positivos e negativos.

O circuito para uma fonte de alimentação dupla regulada é mostrado na figura a seguir

Fornecimento duplo regulamentado

Especificações dos componentes:

T1=Transformador redutor, 7,5-0-7,5, 1A

C1=C2=C3=C4=100uf, 25V eletrolítico

R1=R2=1KE, 1/4W

U1=LM7805

U2=LM7905

D1=LED (vermelho), 3mm

D2=LED (verde), 3mm

(cabeçalho = significância do componente)

Significância do componente:

T1: Se você usar um transformador com tensão de saída superior a 7,5 V, como 9 V, 12 V, etc., obterá mais regulação de tensão. O IC 7805 pode ser usado com segurança em transformadores de até 14V. Se você usar um transformador com classificação de corrente superior a 1A, como 2A, 3A, etc., poderá conduzir mais carga.

C1 a C5: A regulação da saída pode ser melhorada aumentando ainda mais o valor destes capacitores. Estabilidade extrema pode ser obtida usando capacitores de 1000mfd.

R1, R2: O brilho dos LEDs indicadores pode ser aumentado diminuindo o valor desses resistores. Os LEDs podem ser usados com segurança com valores de resistor acima de 220 ohms com alimentação de 5 V.

U1, U2: Se precisarmos de alguma outra tensão na saída, basta trocar esses CIs. ICs regulamentados estão comumente disponíveis até 12V, 7812 e 7912.

Para todo este artigo, +5V é VCC e -5V é VEE

Imagem da fonte de alimentação dupla

A imagem acima é na verdade a fonte de alimentação dupla construída por mim. O circuito é exatamente o mesmo. Acontece que construí o circuito dentro de uma caixa de distribuição, com interruptor e tomada, para que fosse seguro e fácil de manusear.

Os iniciantes devem observar que simplesmente conectar o circuito de acordo com o diagrama de circuito e fazê-lo funcionar é uma coisa e construir o circuito na forma de um produto é algo totalmente diferente. Neste tutorial mostrarei apenas o circuito básico de funcionamento e a imagem ou vídeo do protótipo finalizado e o resto fica por conta do leitor.

A imagem a seguir mostra como conecto minha fonte de alimentação à placa de ensaio usando fios de conexão.

Conectando uma fonte dupla à placa de ensaio

(cabeçalho = Recursos do amplificador operacional 741)

6) Recursos do amplificador operacional 741

O 741 é um IC de amplificador operacional versátil e é o melhor IC de amplificador operacional para iniciantes. O design foi lançado pela primeira vez pela Fairchild e ainda está em produção. Hoje em dia, outros fabricantes também produzem IC de amplificador operacional com o mesmo nome e design.

O 741 comumente disponível é um IC de amplificador operacional de pacote duplo em linha de oito pinos. Ele possui apenas um único módulo de amplificador operacional dentro dele e requer fonte de alimentação dupla.

Imagem do amplificador operacional 741

6.1) Pinagens

A pinagem do amplificador operacional 741 é mostrada abaixo. Os pinos 2 e 3 são pinos de entrada e o pino 6 é o pino de saída. Os pinos 4 e 7 são fornecidos para fonte de alimentação dupla.

Pinagem de 741

Supõe-se que um amplificador operacional tenha tensão de saída zero sempre que a tensão diferencial de entrada for zero. Mas na prática isso é difícil de conseguir, devido a certas incompatibilidades de corrente nos terminais de entrada. O 741 possui dois terminais para definir a tensão de saída para zero, quando a tensão de entrada é zero. Os pinos fornecidos para esta função são chamados de offset null.

Neste artigo não estamos interessados em usar esses pinos nulos de deslocamento. Os amplificadores operacionais modernos possuem mecanismo interno para ajustar a tensão de deslocamento.

Entre os pinos de entrada, o pino2 é chamado de entrada inversora e o pino3 é chamado de entrada não inversora. Esses termos são muito importantes em relação a um amplificador operacional e iremos discuti-los em detalhes nas seções a seguir.

(cabeçalho = Testando um IC 741)

6.2) Testando um IC 741

É importante ter certeza de que o amplificador operacional que temos está funcionando corretamente, antes de prosseguirmos com novos experimentos. Aqui está um método simples para testar um IC 741, com o mínimo de componentes e conexão de circuito

Circuito de teste para pino não inversor LM741

Aqui colocamos em curto o pino 6 e o pino 2 do amplificador operacional. Este circuito é comumente chamado de seguidor de tensão. Uma tensão é aplicada ao pino 3 do amplificador operacional através do resistor variável (10K). Tudo o que precisamos fazer é verificar se as tensões V1 e V2 são exatamente iguais ou não. Verifique-os usando um multímetro. Se eles corresponderem exatamente, então você tem um amplificador operacional funcionando perfeitamente e agora está pronto para novos experimentos.

A mesma verificação pode ser feita aplicando também uma tensão de entrada V1 no pino inversor e verificando a tensão de saída V2 conforme mostrado abaixo.