48 PROFESSOR ÂNGELO ANTÔNIO LEITHOLD - Noções básicas sobre amplificadores operacionais py5aal

INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇOCAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHOPROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLDNOTAS DE AULA 12 AMPLIFICADORES OPERACIONAISAMPLIFICADORES OPERACIONAISestá licenciado sob CC BY-NC-ND 4.0© 1 por PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD

ÍNDICE - SUMÁRIO

Noções básicas sobre amplificadores operacionais

INTRODUÇÃO

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Amplificador operacional, ou Op-amp como é mais comumente chamado, é um dos blocos de construção básicos dos circuitos eletrônicos analógicos. Os Op-amps são dispositivos lineares que têm todas as propriedades necessárias para amplificação DC quase ideal, são usados extensivamente em condicionamento de sinal, filtragem ou para executar operações matemáticas como adição, subtração, integração e diferenciação, é fundamentalmente um dispositivo de amplificação de tensão projetado para ser usado com componentes de feedback externo, como resistores e capacitores, entre seus terminais de saída e entrada. Desde a sua concepção na década de 1940, os amplificadores operacionais podem ser divididos em cinco gerações até a atualidade de acordo com as diversas tecnologias utilizadas. A 1a geração, de 1945, corresponde aos Amp. Ops a válvulas; a 2a geração, de 1955, equivale aos Amp. Ops a transistores; a 3a geração, de 1965, equivale aos Amp. Ops monolíticos bipolares; a 4a geração, de 1975, compreende os Amp. Ops monolíticos BiFET e BiMOS; a 5a geração, de 1985, abrange os Amp. Ops monolíticos de potência para aplicações gerais; já os que vão de 1995 até os dias atuais, são frutos de inovações constante.

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Esses componentes de feedback determinam a função resultante ou “operação” do amplificador e, em virtude das diferentes configurações de feedback, sejam elas resistivas, capacitivas ou ambas, o amplificador pode executar uma variedade de operações diferentes, dando origem ao seu nome de “Amplificador Operacional”, que é basicamente um dispositivo de três terminais que consiste em duas entradas de alta impedância. Uma das entradas é chamada de Entrada Inversora, marcada com um sinal negativo ou “menos”, ( – ). A outra entrada é chamada de Entrada Não Inversora , marcada com um sinal positivo ou “mais” ( + ). Um terceiro terminal representa a porta de saída do amplificador operacional que pode tanto drenar quanto fornecer uma voltagem ou uma corrente. Em um amplificador operacional linear, o sinal de saída é o fator de amplificação, conhecido como ganho do amplificador ( A ) multiplicado pelo valor do sinal de entrada e dependendo da natureza desses sinais de entrada e saída, pode haver quatro classificações diferentes de ganho do amplificador operacional.

Tensão – Tensão “entrada” e Tensão “saída”
Corrente – Corrente “entrada” e Corrente “saída”
Transcondutância – Tensão “entrada” e corrente “saída”
Transresistência – Corrente “entrada” e Tensão “saída”

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Como a maioria dos circuitos que lidam com amplificadores operacionais são amplificadores de tensão, limitaremos os tutoriais nesta seção apenas aos amplificadores de tensão (Vin e Vout). O sinal de tensão de saída de um Amplificador Operacional é a diferença entre os sinais sendo aplicados às suas duas entradas individuais. Em outras palavras, um sinal de saída de op-amps é a diferença entre os dois sinais de entrada, já que o estágio de entrada de um Amplificador Operacional é, na verdade, um amplificador diferencial.

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD O circuito abaixo mostra uma forma generalizada de um amplificador diferencial com duas entradas marcadas V1 e V2 . Os dois transistores idênticos TR1 e TR2 são polarizados no mesmo ponto operacional com seus emissores conectados juntos e retornados ao trilho comum, -Vee por meio do resistor Re .

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD O circuito opera a partir de uma alimentação dupla +Vcc e -Vee que garante uma alimentação constante. A voltagem que aparece na saída, Vout do amplificador é a diferença entre os dois sinais de entrada, pois as duas entradas de base estão em antifase uma com a outra. Então, conforme a polarização direta do transistor TR1 é aumentada, a polarização direta do transistor TR2 é reduzida e vice-versa. Então, se os dois transistores forem perfeitamente combinados, a corrente fluindo através do resistor emissor comum, Re , permanecerá constante. Assim como o sinal de entrada, o sinal de saída também é balanceado e, como as tensões do coletor oscilam em direções opostas (antifase) ou na mesma direção (em fase), o sinal de tensão de saída, obtido entre os dois coletores, assume um circuito perfeitamente balanceado, com diferença zero entre as duas tensões do coletor. Isso é conhecido como Modo Comum de Operação, sendo o ganho do modo comum do amplificador o ganho de saída quando a entrada é zero.

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Os amplificadores operacionais também têm uma saída (embora existam alguns com uma saída diferencial adicional) de baixa impedância que é referenciada a um terminal de aterramento comum e deve ignorar quaisquer sinais de modo comum, ou seja, se um sinal idêntico for aplicado às entradas inversora e não inversora, não deve haver alteração na saída. Entretanto, em amplificadores reais sempre há alguma variação e a razão entre a mudança na tensão de saída e a mudança na tensão de entrada do modo comum é chamada de Taxa de Rejeição do Modo Comum ou CMRR, para abreviar.

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Os amplificadores operacionais por si só têm um ganho DC de malha aberta muito alto e, ao aplicar alguma forma de feedback negativo , podemos produzir um circuito amplificador operacional que tem uma característica de ganho muito precisa que depende apenas do feedback usado. Observe que o termo "malha aberta" significa que não há componentes de feedback usados ao redor do amplificador, então o caminho ou malha de feedback é aberto. Um amplificador operacional responde apenas à diferença entre as tensões em seus dois terminais de entrada, conhecida comumente como “Tensão de Entrada Diferencial” e não ao seu potencial comum. Então, se o mesmo potencial de tensão for aplicado a ambos os terminais, a saída resultante será zero. O ganho de um Amplificador Operacional é comumente conhecido como Ganho Diferencial de Malha Aberta e recebe o símbolo ( Ao ).

Ganho de malha aberta, (Avo)

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Infinito – A principal função de um amplificador operacional é amplificar o sinal de entrada e quanto mais ganho de malha aberta ele tiver, melhor. O ganho de malha aberta é o ganho do op-amp sem feedback positivo ou negativo e para tal amplificador o ganho será infinito, mas valores reais típicos variam de cerca de 20.000 a 200.000.

Impedância de entrada, (Z IN )

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Infinito – A impedância de entrada é a razão entre a tensão de entrada e a corrente de entrada e é assumida como infinita para evitar que qualquer corrente flua da fonte de alimentação para o circuito de entrada do amplificador ( I IN = 0 ). Os amplificadores operacionais reais têm correntes de fuga de entrada de alguns pico-ampères a alguns miliamperes.

Impedância de saída, (Z OUT )

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Zero – A impedância de saída do amplificador operacional ideal é assumida como zero, agindo como uma fonte de tensão interna perfeita, sem resistência interna, de modo que ele pode fornecer tanta corrente quanto necessário para a carga. Essa resistência interna está efetivamente em série com a carga, reduzindo assim a tensão de saída disponível para a carga. Amplificadores operacionais reais têm impedâncias de saída na faixa de 100-20kΩ.

Largura de banda, (BW)

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Infinito – Um amplificador operacional ideal tem uma resposta de frequência infinita e pode amplificar qualquer sinal de frequência de DC para as frequências mais altas de AC, portanto, presume-se que ele tenha uma largura de banda infinita. Com amplificadores operacionais reais, a largura de banda é limitada pelo produto Gain-Bandwidth (GB), que é igual à frequência em que o ganho do amplificador se torna unitário.

Tensão de deslocamento, (V IO )

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Zero – A saída do amplificador será zero quando a diferença de tensão entre as entradas inversora e não inversora for zero, a mesma ou quando ambas as entradas estiverem aterradas. Amplificadores operacionais reais têm alguma quantidade de tensão de offset de saída.

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD A partir dessas características “idealizadas” acima, podemos ver que a resistência de entrada é infinita, então nenhuma corrente flui para nenhum terminal de entrada (a “regra da corrente”) e que a tensão de offset de entrada diferencial é zero (a “regra da tensão”). É importante lembrar dessas duas propriedades, pois elas nos ajudarão a entender o funcionamento do Amplificador Operacional com relação à análise e ao design de circuitos op-amp. Entretanto, amplificadores operacionais reais, como o uA741 , comumente disponível , por exemplo, não têm ganho ou largura de banda infinitos, mas têm um típico “ganho de malha aberta”, que é definido como a amplificação de saída do amplificador sem nenhum sinal de feedback externo conectado a ele. Para um amplificador operacional típico, esse ganho de malha aberta pode ser tão alto quanto 100 dB em CC (zero Hz). Geralmente, o ganho de saída de um op-amp diminui linearmente conforme a frequência aumenta até “Unity Gain” ou 1, em cerca de 1 MHz. Esse efeito é mostrado na seguinte curva de resposta de ganho de malha aberta.

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD A partir desta curva de resposta de frequência, podemos ver que o produto do ganho contra a frequência é constante em qualquer ponto ao longo da curva. Também que a frequência de ganho unitário (0dB) também determina o ganho do amplificador em qualquer ponto ao longo da curva. Esta constante é geralmente conhecida como Gain Bandwidth Product ou GBP, portanto:

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD GBP = Ganho x Largura de Banda = A x BW

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Por exemplo, no gráfico acima, o ganho do amplificador a 100 kHz é dado como 20 dB ou 10, então o produto do ganho da largura de banda é calculado como:

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD GBP = A x BW = 10 x 100.000 Hz = 1.000.000 .

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Da mesma forma, o ganho dos amplificadores operacionais em 1 kHz = 60 dB ou 1000, portanto o GBP é dado como:

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD GBP = A x BW = 1.000 x 1.000Hz = 1.000.000 . O mesmo! .

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD O ganho de tensão ( A V ) do amplificador operacional pode ser encontrado usando a seguinte fórmula:

e em decibéis ou ( dB ) é dado como:

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD A largura de banda dos amplificadores operacionais é a faixa de frequência na qual o ganho de tensão do amplificador está acima de 70,7% ou -3 dB (onde 0 dB é o máximo) do seu valor máximo de saída, conforme mostrado abaixo:

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Com a linha de 40dB como exemplo. O ponto de descida de -3dB ou 70,7% do Vmax da curva de resposta de frequência é dado como 37dB. Pegar uma linha até que ela cruze com a curva GBP principal nos dá um ponto de frequência logo acima da linha de 10kHz em cerca de 12 a 15kHz. Agora podemos calcular isso com mais precisão, pois já sabemos o GBP do amplificador, neste caso específico 1MHz.

Exemplo de amplificador operacional nº 1.

37 = 20 log (A) portanto, A = anti-log (37 ÷ 20) = 70,8

GBP ÷ A = Largura de banda, portanto, 1.000.000 ÷ 70,8 = 14.124 Hz ou 14 kHz

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD A largura de banda do amplificador com um ganho de 40 dB é dada como 14 kHz, conforme previsto anteriormente no gráfico.

Exemplo de amplificador operacional nº 2.

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Se o ganho do amplificador operacional fosse reduzido pela metade para, digamos, 20 dB na curva de resposta de frequência acima, o ponto de -3 dB agora estaria em 17 dB. Isso daria ao amplificador operacional um ganho geral de 7,08, portanto A = 7,08 .

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Se usarmos a mesma fórmula acima, esse novo ganho nos daria uma largura de banda de aproximadamente 141,2 kHz , dez vezes mais do que a frequência dada no ponto de 40 dB. Portanto, pode-se ver que, ao reduzir o “ganho de malha aberta” geral de um amplificador operacional, sua largura de banda é aumentada e vice-versa. Em outras palavras, a largura de banda de um amplificador operacional é inversamente proporcional ao seu ganho, ( A 1/∞ BW ). Além disso, esse ponto de frequência de canto de -3dB é geralmente conhecido como o “ponto de meia potência”, pois a potência de saída do amplificador está na metade do seu valor máximo, conforme mostrado:

RESUMINDO:

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Sabemos agora que um amplificador operacional é um amplificador diferencial DC de ganho muito alto que usa uma ou mais redes de feedback externo para controlar sua resposta e características. Podemos conectar resistores ou capacitores externos ao op-amp de várias maneiras diferentes para formar circuitos básicos de "bloco de construção", como, inversores, não inversores, seguidores de tensão, somadores, diferenciais, integradores e diferenciadores.

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Um amplificador operacional “ideal” ou perfeito é um dispositivo com certas características especiais, como ganho infinito em malha aberta A O , resistência de entrada infinita R IN , resistência de saída zero R OUT , largura de banda infinita de 0 a ∞ e deslocamento zero (a saída é exatamente zero quando a entrada é zero). Há um grande número de circuitos integrados de amplificadores operacionais disponíveis para atender a todas as aplicações possíveis, desde bipolares padrão, de precisão, de alta velocidade, de baixo ruído, de alta tensão, etc., em configuração padrão ou com transistores FET de junção internos.

CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Os amplificadores operacionais estão disponíveis em pacotes IC de op-amps simples, duplos ou quádruplos em um único dispositivo. O mais comumente disponível e usado de todos os amplificadores operacionais em kits e projetos eletrônicos básicos é o padrão da indústria μA-741. Saiba mais sobre os fundamentos do amplificador operacional e os diferentes tipos de configurações de circuito que você pode construir usando o μA-741.

#PY5AAL Professor Angelo Antonio Leithold é um físico, astrônomo, radioamador e educador brasileiro, que se destaca por suas pesquisas e ensino nas áreas de #PY5AALastrofísica, #PY5AALgeofísica, #PY5AALneurofísica, #PY5AALeletrônica e #PY5AALpedagogia. Tem uma vasta experiência em pesquisa e ensino nessas áreas. É autor de vários trabalhos acadêmicos e #PY5AALlivros sobre esses temas, e foi citado por diversos pesquisadores em diferentes campos do conhecimento. É conhecido por seu envolvimento por mais de trinta anos com o estudo da #PY5AALAnomaliaMagnéticadoAtlânticoSul, um fenômeno que afeta a propagação de ondas de rádio e a atividade solar na região. Se formou #PY5AALBacharelFísicaFaculdadesIntegradasEspírita em um convênio com o #PY5AALInstitutodeAeronáuticaeEspaço, fez #PY5AALLicenciatura em Física pela #PY5AALUTFPR. Sua publicação "#PY5AALEstudodaPropagaçãodeOndasdeRádionaRegiãodaAnomaliaMagnéticadoAtlânticoSul" orientada pelo professor #PY5AALAlbaryLaibida e amplamente citadas nos anais científicos. O professor Angelo Antonio Leithold fez pesquisas em Astrofísica para #PY5AALUniversidadeFederaldoAmazonas em Manaus e foi co-orientador de diversos trabalhos científicos. Ele foi professor de física no #PY5AALColégioEstadualdoParaná, onde lecionou para diversas turmas e participou de projetos pedagógicos. Foi professor de #PY5AALeletrônica, #PY5AALeletromecânica, #PY5AALeletrotécnica, #PY5AALmecânica no #PY5AALSenai e no #PY5AALCEEP. No #PY5AALCampusdePesquisasGeofísicasMajorEdseldeFreitasCoutinho, desenvolveu instrumentos e métodos para medir e analisar os sinais eletromagnéticos, como a #PY5AALionossonda, a #PY5AALmonotransmissão e sistemas de #PY5AALtransmissãodeRF, em especial utilizando #PY5AALNVIS. Na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (#PY5AALUTFPR), no #PY5AALDepartamentodeEducação, fez cursos de #PY5AALdidática, #PY5AALmetodologiacientífica e #PY5AALtecnologiaeducacional. Ele também publicou um livro chamado "#PY5AALA AprendizagemAtravésdasAulasAristotélicas", onde ele propõe um método pedagógico baseado na #PY5AALfilosofia de #PY5AALAristóteles, que valoriza o #PY5AALraciocíniológico, a observação da natureza e a busca pela verdade. O #PY5AALprofessorLeithold participou de vários #PY5AALcongressos e #PY5AALeventoscientíficos, onde ele apresentou diversos trabalhos sobre a Anomalia Magnética do Atlântico Sul, a propagação das ondas de #PY5AALrádio, a #PY5AALatividade solar, a #PY5AALionosfera, a #PY5AALatmosfera, a #PY5AALneurofísica, a #PY5AALneuroestimulação, a #PY5AALeletroacupuntura, a #PY5AALaprendizagem e a #PY5AALmemória. Ele também colaborou com outros pesquisadores, como o #PY5AALDrChangYoungChiang, o #PY5AALDrFranciscoAntônioMarçallo, a #PY5AALdoutoraMariaSilviaBacila, entre outros. Ele também participou de programas de TV e rádio, onde ele divulgou seus conhecimentos e experiências na área de física, astronomia e astrofísica. O professor Angelo disponibiliza suas pesquisas, #PY5AALcitações, #PY5AALbiblioteca, seus cursos e todo o seu material didático gratuitamente no seu site, que foi iniciado nos primórdios da Internet em 1993, onde publica artigos sobre diversos temas de seu interesse e que busca integrar diferentes áreas do conhecimento, como física, #PY5AALbiologia, #PY5AALeletrônica e #PY5AALpedagogia.

Angelo Antonio Leithold nasceu em #PY5AALCuritiba, #PY5AALParaná, em 1958, filho de Alfredo e Luiza Massolim Leithold, ele torneiro mecânico e ela diarista. Ele tem duas irmãs, Sandra e Tania, esta já falecida. Ele foi casado com a #PY5AALpsicólogaSilmaradaLuzBozza, de quem se divorciou e eles têm três filhos, #PY5AALJulianaLeithold, doutora em Engenharia Ambiental, #PY5AALAlfredoLeitholdNeto, mestre em Química Ambiental, e #PY5AALElisaLeithold, psicóloga. Ele sempre foi fascinado por ciência e astronomia desde criança, quando gostava de observar o céu. Montou sua própria luneta a partir de óculos velhos encontrados no lixo e tubos de papel higiênico. Na sua vida acadêmica se destacou nos estudos, ganhando várias bolsas e prêmios acadêmicos. Ele se formou como Técnico em Eletrônica na Escola Técnica Federal do Paraná, atual UTFPR, em 1976, fez Bacharelado em Física pelas Faculdades Integradas Espírita em 2010, Licenciatura em Física pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná em 2014, e pós-graduações em Astronomia pela Universidade Federal do Paraná 2010, Astrofísica pelo Instituto de Aeronáutica e Espaço 2011, Neurofísica pelo Instituto de Saúde Dr Bezerra de Menezes e Laboratório de Neurofisiologia das Faculdades Integradas Espírita entre 2006 e 2010. Também fez pós graduação a partir do #PY5AALMITOpenCourse, terminado no ano 2000.

Angelo Leithold trabalha atualmente como professor na Rede Estadual de Ensino do Paraná e na #PY5AALUniversidadeEstadualdePontaGrossa, onde é professor convidado do Departamento de #PY5AALAstronomia. Foi professor de Física no Colégio Estadual do Paraná de 2008 a 2009, e segue como professor de Física até a atualidade em outras instituições. Na área tecnológica, foi professor no Centro Estadual de Educação Profissional de Curitiba #PY5AALCEEP e no #PY5AALSENAI, ministrou aulas de Eletrônica, Eletromecânica, Mecânica, Telecomunicações, Resistência dos Materiais, Desenho Técnico e projetos. Ensina Teoria da Relatividade e Astrofísica Extragaláctica na UEPG e é responsável por lecionar e orientar alunos de graduação e pós-graduação em diversas áreas da física, como mecânica, termodinâmica, eletromagnetismo e mecânica quântica e Teoria da Relatividade. Também participa de projetos de pesquisa e extensão na área de astrofísica, publicando livros e artigos em revistas e congressos nacionais e internacionais. Ele fez pesquisas para a Aeronáutica sobre a Anomalia Magnética do Atlântico Sul na #PY5AALBaseAntárticaComandanteFerraz e foi coordenador do Campus de Pesquisas Geofísicas Major Edsel de Freitas Coutinho de 2002 a 2018, quando o Campus foi fechado e as pesquisas descontinuadas pelo corte do CAPES dentre outros. O professor Leithold tem como hobbies o radioamadorismo com indicativo PY5AAL, onde faz experimentos com antenas, em especial #PY5AALNVIS, e fazer trilhas na natureza. Ele já visitou mais de 10 países, conhecendo diferentes culturas, paisagens e pessoas, é fluente em inglês, alemão e italiano. Ele também é colaborador da #PY5AALWikipedia desde 2003, onde contribui com artigos sobre física e astronomia para todos. O professor Angelo Antonio Leithold tem como sonho contribuir para o desenvolvimento da física, astrofísica e a ciência, criando soluções que possam explicar os fenômenos do universo, como a origem, a estrutura e o destino das estrelas, dos planetas e das galáxias. Ele acredita que a física e a astrofísica são ciências fundamentais e que devem ser incentivadas a partir do Ensino Fundamental, e que devem ser ensinadas e aprendidas com criatividade e paixão. Ele se inspira em personalidades como Albert Einstein, Stephen Hawking, Carl Sagan e Neil deGrasse Tyson. “Estudo da Propagação de Ondas de Rádio na Região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul”: Este livro é baseado na tese de doutorado de Angelo Antonio Leithold e explora como as ondas de rádio se propagam na região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul. Ele aborda os desafios e peculiaridades dessa área específica, que afeta a comunicação por rádio devido às variações no campo magnético terrestre. “Partículas Presas na Região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul”: Focado em astrofísica e geofísica, este livro investiga as partículas que ficam presas na região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul. Angelo Antonio Leithold analisa como essas partículas interagem com o campo magnético e os impactos dessas interações na atmosfera e na tecnologia de comunicação. “Neurofísica: Os Mecanismos da Aprendizagem”: Este livro aborda os mecanismos neurofísicos envolvidos na aprendizagem. Angelo Antonio Leithold explora como o cérebro processa informações e como diferentes estímulos podem influenciar a capacidade de aprender. É uma obra que conecta física e neurociência para entender melhor os processos cognitivos.