Amplificadores operacionais (Novos e Velhos Conceitos) (ART1075 )
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Amplificadores operacionais (Novos e Velhos Conceitos) (ART1075 )
Os amplificadores operacionais têm sido usados em projetos de todos os tipos há muito tempo. Os velhos conceitos que envolvem os projetos com tais circuitos permanecem os mesmos, mas as aplicações modernas exigem novas tecnologias que começam a ser inseridas nos próprios amplificadores operacionais. Isso significa que o profissional que trabalha com tais componentes não deve apenas conhecer a base teórica antiga, mas também alguns conceitos novos dos quais dependem o sucesso num projeto. Neste artigo reciclaremos alguns conceitos antigos dos amplificadores operacionais e introduziremos alguns conceitos novos de grande importância para os profissionais. (2004)
A velha idéia de que os amplificadores operacionais foram originalmente criados para realizar operações matemáticas em computadores analógicos e que se deram tão bem nesta função que passaram a ser usados numa infinidade de novas aplicações certamente ainda é válida.
No entanto, as características dos primitivos amplificadores operacionais, muitos dos quais ainda resistem até hoje quando não se necessita de um desempenho mais crítico, precisaram ser revistas e melhoradas.
Assim, os amplificadores operacionais de hoje são definidos da mesma forma que os mais antigos, mas quando analisamos o seu desempenho, as coisas mudam. É justamente dessas definições e do que muda neste tipo de circuito para que possamos usá-los nos projetos mais modernos é que trataremos a seguir.
O Amplificador Operacional Básico
Um amplificador operacional tem duas entradas e uma saída, conforme mostra a figura 1.
Quando aplicamos o sinal na entrada não inversora (+) o sinal é amplificado e aparece na saída com a mesma fase do sinal de entrada. Por outro lado, quando aplicamos um sinal na entrada inversora (+), ele aparece na saída com a fase invertido. Tudo isso é representado na figura 2.
Teoricamente um amplificador operacional tem as seguintes características:
Ganho infinito
Faixa passante infinita
Na prática, entretanto isso não ocorre. Começamos pelo ganho, por exemplo.
O ganho típico de tensão de um amplificador operacional, quando opera com sinais de baixas freqüências pode chegar a 100 000 vezes. No entanto, à medida que a freqüência do sinal aumenta o ganho cai, conforme mostra a figura 3.
Por esse motivo, quando falamos no ganho de um amplificador operacional nos referimos ao produto ganho x faixa passante. Assim, quando falamos que o produto ganho x faixa passante de um amplificador operacional, como o conhecido 741 é 1 MHz, isso significa que em 1 MHz seu ganho cai a um valor unitário. Trata-se portanto da freqüência máxima do sinal que teoricamente ele pode amplificar.
Nos manuais técnicos é comum especificar o produto faixa passante x ganho por BW x Gain onde BW significa Band Width ou largura de faixa.
A impedância de entrada dos amplificadores operacionais comuns não é infinita, mas muito alta. Para amplificadores operacionais que usam transistores de efeito de campo na entrada ela pode chegar a centenas de gigaΩ, o que é praticamente um circuito aberto.
Da mesma forma, na prática, a impedância de saída não é zero, mas tem valores pequenos, da ordem de dezenas ou centenas de ohms (Ω) para os componentes comuns.
Nas aplicações comuns os amplificadores operacionais utilizam fontes de alimentação simétricas, como a mostrada na figura 4.
Isso significa que a tensão de saída assume valores positivos e negativos em torno de uma referência de zero volt, em função da tensão do sinal de entrada.
Entretanto, é possível trabalhar com um amplificador operacional sem a necessidade de uma fonte simétrica. Como o que se amplifica é a diferença de tensões entre as entradas, conforme mostra a figura 5, basta fixar uma das entradas como referência, conforme mostra a mesma figura.
Assim, a tensão de saída quando um dos sinais é aplicado à entrada vai oscilar entre dois valores positivos, sem a necessidade de se usar uma fonte simétrica.
Como o ganho de um amplificador operacional é muito grande, ele satura facilmente com os sinais de entrada. Assim, a curva de transferência característica de um amplificador operacional com ganho 10000 é a mostrada na figura 6.
Conforme podemos ver, esse amplificador operacional tomado com exemplo já satura com um sinal de apenas 1 mV de entrada.
Para evitar que a saturação ocorra e que possamos trabalhar com sinais de freqüências mais altas, temos de controlar o ganho do amplificador operacional. Reduzindo seu ganho, aumentamos sua impedância de entrada e a faixa passante, além de melhorarmos outras características desse dispositivo.
Para controlarmos o ganho basta agregarmos uma rede de realimentação negativa, conforme mostra a figura 7.
No circuito mostrado na figura 7 temos as seguintes características:
A impedância de entrada (Zi) será dada pelo de R1.
O ganho de tensão será dado pela relação entre R2 e R1 , ou seja:
G = R2/R1
A fase do sinal de saída é oposta a do sinal de entrada, ou seja, temos um amplificador inversor.
A configuração equivalente para um amplificador não inversor é mostrada na figura 8.
Ganho = (R1 + R2)/R2
Impedância de entrada = Zinox Ganho(0)
Onde: Zino é a impedância de entrada sem realimentação
Ganho(o) = ganho sem realimentação
Em outras palavras quando reduzimos o ganho aumentamos tanto a faixa passante como a impedância de entrada.
Uma configuração muito usada para os amplificadores operacionais é o "seguidor de tensão" mostrado na figura 9.
No seguidor de tensão todo o sinal de saída realimenta a entrada de modo que temos um ganho unitário (G =1). Se bem que a tensão do sinal de saída seja a mesma do sinal de entrada (amplitude) temos um ganho de potência, pois a impedância de entrada é muito alta e a impedância de saída muito baixa.
No seguidor de tensão ideal a impedância de entrada é infinita e a impedância de saída nula. Na prática isso não ocorre.
Partindo da idéia de que um amplificador operacional amplifica a diferença entre as tensões aplicadas nas duas entradas, se as tensões forem iguais a saída deve ser nula, conforme mostra a figura 10.
Na prática isso não ocorre devido a diversos problemas do componente. Mesmo quando as tensões são iguais, uma pequena amplificação ocorre e a tensão de saída não é nula.
A capacidade que um amplificador operacional tem de rejeitar ou não amplificar se as tensões dos sinais aplicados nas entradas forem as mesmas define o que denominamos "Relação de Rejeição em Modo Comum". O termo é abreviado como CMRR de Common Mode Rejetion Ratio, que é o termo inglês correspondente.
Quando se trabalha com amplificadores operacionais existem alguns parâmetros que devem ser considerados.
Assim, quando consultamos as folhas de especificações dos amplificadores operacionais encontramos três blocos principais:
a) Máximos absolutos
Estas são as especificações máximas dentro das quais os dispositivos devem operar sob quaisquer condições.
b) Condições de Operação Recomendadas
São semelhantes aos máximos absolutos, mas um pouco mais estreitas, já que, se superadas não causam a queima do componente mas sim uma operação não satisfatória.
c) Características elétricas
São as propriedades elétricas do dispositivo, medidas sob determinadas condições e que devem ser levadas em conta quando forem realizados os projetos que o utiliza. É a partir dessas características que podemos prever o comportamento do dispositivo num projeto quando ele trabalhar dentro das condições de operação recomendadas.
A tabela dada a seguir, sugerida pela Texas Instruments em seu livro Op. Amp for Everyone nos mostra a principais características dos amplificadores operacionais com as definições.
Tempo de FixaçãoTaxa de Crescimento
Parâmetro Abrev. Unid. Definição
Faixa passante para 0,1 dB plana MHz Faixa de freüências dentro da qual o ganho é +/- 0,1 dB dentro do valor nominal
Capacitância de entrada no modo comum Cic pF É a capacitância que a fonte em modo comum vê em relação à entrada.
Impedância de entrada em modo comum Zic Ω Soma da impedância com sinais pequenos para cada terminal de entrada
Tensão em modo comum Vic V Tensão média nos pinos de entrada
Rejeição em Modo Comum CMMR ou kCMR dB É a relação entre a amplificação da tensão diferencial no modo comum (ver texto)
Dissipação Total Contínua mW É um máximo absoluto e define a quantidade de potência que o dispositivo pode dissipar dentro de determinadas condições, incluindo a carga ligada à saída.
Crosstalk (modulação cruzada) XT dBc Trata-se da relação entre a mudança da tensão de saída para um canal devido a mudanças de tensão que ocorram no outro canal que não seja alimentado.
Ganho de Erro Diferencial AD % Trata-se da mudança do ganho AC com a mudança no nível DC. Normalmente é testado em freqüências de 3,58 MHz para o sistema NTSC e 4,43 para o PAL.
Capacitância diferencial de entrada C ic pF É o mesmo que a capacitância em modo comum
Resistência diferencial de entrada rid Ω A resistência de entrada entre dois terminais de entrada não aterrados para pequenos sinais.
Tensão diferencial de entrada VID V É a tensão entre as entradas inversora e não inversora.
Erro diferencial de fase ?D graus É a mudança na fase AC com a mudança de nível DC, especificado para sinais da forma que o erro de ganho diferencial.
Amplificação diferencial de tensão AVD dB É o ganho do amplificador sem realimentação
Tempo de descida ft ns É o tempo que a tensão de saída precisa para cair de 90% para 10% do valor final
Duração do Curto-Circuito de saída - - Tempo em que a saída do amplificador pode ser curto-circuitada. Dada como máximo absoluto.
Faixa de Tensões de Entrada em Modo Comum VICR V Faixa de tensões que podem ser aplicadas às entradas. Fora desta faixa o dispositivo deixa de funcionar apropriadamente
Corrente de Entrada Ii mA É a intensidade da corrente que pode ser drenada ou fornecida por uma entrada – é um máximo absoluto
Corrente de Ruído de Entrada In pa/sqr(Hz) É a corrente de ruído interno refletida para uma fonte de corrente ideal em paralelo com os pinos de entrada.
Tensão de Ruído de Entrada Vn nV/sqr(z) É a tensão de ruído interno refletida para uma fonte de tensão ideal em paralelo com os pinos de entrada.
Produto Ganho Faixa Passante GBW MHz É o produto do ganho sem realimentação e a freqüência em que ele é medido.
Margem de Ganho Am dB É o recíproco do ganho de tensão e a freqüência na qual é feita a medida.
Tensão de Saída em Nível Alto VOH V É a tensão máxima positiva que a saída pode atingir.
Corrente de Polarização de entrada Iib uA É a corrente média das correntes nos dois terminais de entrada para a saída num determinado nível.
Capacitância de entrada CI pF É a capacitância entre os terminais de entrada uando ambos estiverem aterrados.
Corrente de Offset de Entrada IID uA É a diferença entre as correntes nos dois terminais de entrada.
Tensão de Offset de Entrada VID ou VDS mV É a tensão DC que deve ser aplicada aos terminais de entrada para cancelar o offset DC do amplificador
Resistência de entrada rI MΩ É a resistência entre os terminais de entrada quando um deles estiver aterrado.
Faixa de Tensões de entrada VI V É a faixa de tensões que pode ser aplicada à entrada.
Ganho de Tensão com Sinais Intensos AV dB É o mesmo que ganho sem realimentação
Corrente de Saida no Nível Baixo IOL mA É a corrente que flui na saída nas condições que a levam ao nível baixo.
Tensão de Saída no Nível Baixo VOL V É a menor tensão positiva que aparece na saída na condição de nível baixo.
Figura de Ruído NF dB É a relação entre o ruído total na saída relacionado com o nível de ruído na entrada,
Transimpedância sem Realimentação Zt MΩ É a variação da tensão de saída que depende da freqüência em relação a mudança dependente da corrente na entrada inversora.
Transresistência sem Realimentação Rt MΩ É a relação da mudança na tensão DC de saída e a variação da corrente DC na entrada inversora.
Ganho de Tensão sem Realimentação AOL dB É a relação entre a variação da tensão de saída e a variação da tensão de entrada que a provoca. Pode ser especificada para valores DC ou para a faixa de freqüências de operação.
Temperatura de Operação TA oC Faixa de temperaturas na qual o amplificador mantém suas características básicas.
Corrente de Saída IO mA É a máxima corrente que pode ser drenada da saída do amplificador operacional – normalmente um máximo absoluto.
Impedância de Saída Zo Ω É a impedância colocada em série com a saída e depende da freqüência.
Resistência de Saída Ro Ω Resistência DC que é vista em série com a saída do amplificador.
Fator de "Overshoot" - - Variação máxima que ocorre numa transição em relação ao valor final estável dessa transição.
Margem de Fase ?m - Valor absoluto do deslocamento de fase sem realimentação na freqüência em que o ganho é unitário.
Rejeição em Modo Comum da Fonte PSRR dB Valor absoluto entre a relação na tensão da fonte para a variação da tensão de offset de entrada.
Tempo de SUbida tr ns Tempo para que o sinal de saída suba entre 10% e 90% do valor na transição do mínimo para o máximo.
(Setting Time) ts ns Tempo em que a saída demora para se estabilizar no valor desejado numa transição.
Corrente de Saída de Curto-Circuito IOS mA É a corrente máxima de saída que circula quando a saída é curto-circuitada para a terra.
(Slew Rate) SR V /us Velocidade com que o sinal varia numa transição entre dois níveis específicos.
Corrente de Alimentação ICC/IDD mA Corrente nos terminais da alimentação quando o amplificador está em funcionamento.
C orrente de Desligamento (Shutdown) ICC/IDD SHDN mA É a corrente que circula pelos terminais de alimentação quando o amplificador é desligado.
Tensão de Alimentação VCC/VDD V Tensão que deve ser usada para alimentar o amplificador.
Distorção Harmônica Total THD dB A relação entre as tensões RMS das primeiras nove harmônicas e a tensão RMS total de saída.
Distorção Harmônica Total + Ruído THD+N dB A relação entre a tensão de ruído e harmônicas RMS e a tensão RMS de saída para o sinal fundamental.
Dissipação Total PD mW Potência máxima que pode ser entregue ao dispositivo para que ele consiga dissipá-la dentro das características indicadas como máximos.
Banda Passante para Ganho Unitário BI MHz Faixa de freqüências dentro da qual o ganho do amplificador é maior do que 1.
Projetando com Amplificadores Operacionais
Não basta levar em conta os parâmetros indicados na tabela acima para se desenvolver um bom projeto envolvendo amplificadores operacionais. Os problemas de projeto se agravam quando se deseja desenvolver um circuito que trabalhe com tensões muito baixas, sinais de freqüências elevadas, e precise ainda ter um baixo consumo.
Quando um amplificador operacional é alimentado com tensões elevadas como, por exemplo, os tradicionais 741 em que valores entre 12+12 V e 15+15 V são comuns, a excursão da tensão de saída não é muito importante. Uma pequena diferença entre a tensão de alimentação e a tensão máxima que o amplificador pode alcançar não influi muito no desempenho de um projeto, conforme mostra a figura 11.
No entanto, quando a tensão de alimentação é muito baixa, uma pequena diferença entre a tensão máxima ou máxima excursão que o sinal de saída apresenta e a tensão de alimentação é muito importante, conforme mostra a figura 12.
Com o passar dos anos as diversas gerações de amplificadores operacionais disponíveis para projeto foram melhorando essa característica.
Assim, para os tradicionais 741 que surgiram em 1969, a diferença de uns 3 V na excursão do sinal de saída para uma alimentação de 30 V, passou para valores bem menores com os Lm324. Assim, o Lm324 apresenta excursão de 3,48 V com alimentação de 5 V, o que já é muito melhor.
Uma melhoria ocorreu com o aparecimento de amplificadores com o LM10, capaz de operar com tensões de alimentação de apenas 1,1 V.
Para atender à crescente necessidade de circuitos capazes de operar com tensões muito baixas, para equipar equipamentos alimentados por baterias como telefones celulares, pagers, etc. apareceu uma nova família de amplificadores operacionais de baixa tensão.
A série TLV278X foi um exemplo de geração de amplificadores, capazes de operar com tensões muito baixas, entre 1,8 e 3,6 V com tensões de saída oscilando até 1,63 V com uma alimentação de apenas 1,8 V!
Esses amplificadores cuja tensão de saída pode oscilar praticamente entre os valores das tensões usadas na alimentação ou "rail voltages", passaram a ser denominados "rail-to-rail" ou abreviadamente RRI Op Amps e RRO Op Amps.
RRI significa amplificadores rail-to-Rail Inpu enquanto que RRO é usado para designar os amplificadores Rail-to-Rail Output. Analisamos os dois tipos.
A tecnologia para o desenvolvimento de tais amplificadores é bem diferente da usada nos amplificadores operacionais tradicionais.
Para evitar o problema que ocorre com os amplificadores comuns com transistores bipolares onde a resistência entre coletor e emissor afeta a tensão máxima de saída que eles podem atingir, temos uma configuração diferente.
Os amplificadores operacionais RRI possuem etapas de entrada em paralelo, conforme mostra a figura 13.
Os amplificadores usam transistores NPN e PNP numa configuração diferencial de modo que esta etapa pode operar tanto com tensões acima como abaixo da tensão de alimentação. A mesma configuração, conforme mostra a figura 14 pode ser implementada com transistores MOS.
Dessa forma as etapas de entrada operam em três faixas diferentes de tensão. Quando a faixa de tensões de entrada está entre –0,2 e 1 V, o par diferencial com transistores PNP é que está ativo e o par diferencial com transistores NPN no corte. Quando a tensão de entrada vara de 1 V até a tensão de alimentação Vcc menos 1 V, tanto o par diferencial com transistores NPN como PNP estão ativos.
Quando a entrada fica na faixa entre a tensão de alimentação menos 1 V e a tensão de alimentação, o par diferencial com transistores NPN está ativo e o PNP no corte.
Na figura 15 temos uma representação gráfica do que ocorre.
No caso da saída, temos também uma configuração especial, conforme mostra a figura 16.
Conforme podemos ver, temos uma saída toten-pole onde um transistor sobre o outro formam a etapa final. Os transistores de saída são complementares. Cada transistor opera no modo de fonte comum segundo o seguinte princípio de operação.
Como o transistor de canal P possui uma resistência entre dreno e fonte ela forma uma resistência divisora com a resistência de carga, conforme mostra a figura 17.
Se a resistência de carga for um resistor de valor muito alto, a corrente que circula pelo circuito é muito pequena e com isso a queda de tensão entre o dreno e a fonte do transistor é desprezível. No entanto, se a carga for pequena, a queda de tensão é maior e com isso a tensão de saída não pode atingir seu máximo ideal que seria a tensão de alimentação.
Por esse motivo, os amplificadores operacionais RRO não podem alimentar cargas que exigem muita corrente, ou seja, cargas de baixa impedância.
Dessa forma, num projeto com um amplificador operacional que deva ter as saída oscilando entre as duas linhas de alimentação (Rail-to-Rail) o projetista deve estar atento para a corrente máxima que deve ser fornecida à carga, a qual deve ser normalmente muito pequena.
Um amplificador com a capacidade Rail-to-Rail de entrada e de saída é denominado RRIO.
Se bem que o princípio de operação dos modernos amplificadores operacionais seja o mesmo dos mais antigos, suas características foram melhoradas ao longo do tempo para atender às necessidades tecnológicas atuais.
Operando com tensões muito baixas, sinais de freqüências mais altas os amplificadores operacionais modernos devem ser rápidos e sua tensão de saída deve variar praticamente entre as duas tensões de alimentação.
O projeto com os amplificadores que atendem essas características são delicados exigindo especial atenção do projetista. Não basta colocar um amplificador operacional numa função: é preciso saber qual é o melhor tipo para atendê-la.
A pequena visão dos amplificadores operacionais que demos neste artigo podem ser de grande utilidade para os leitores que trabalham com esse tipo de dispositivo.