Projetos com Amplificadores Operacionais

 

Prefácio 

Provavelmente, o circuito integrado mais usado atualmente seja o amplificador operacional. Seu uso é fácil e requer o mínimo de álgebra. Talvez, esta seja a razão da simplicidade de muitos circuitos eletrônicos atuais em relação aos utilizados há dez anos, quando ainda alguns de nós enfrentavam os desafios dos circuitos valvulados e transistorizados.

Este livro discute o projeto e a operação de circuitos de amplificadores operacionais básicos, juntamente com uma série de mais de 35 experiências ilustrativas do projeto e operação de amplificadores li-neares, diferenciadores e integradores, conversores de corrente e ten-são, comparadores, retificadores, osciladores, filtros ativos e circuitos com alimentação unipolar. Ele não tem a intenção de fornecer dados a respeito de todos os operacionais, nem de ser um livro descritivo das características do desempenho dos vários tipos no mercado. Ele explica o projeto dos circuitos fundamentais, que são os blocos definidores dos sistemas mais sofisticados, usando muitos amplificadores operacionais. Por esta razão, ele é muito útil aos principiantes e hobistas que pretendem aprender os fundamentos deste tipo de circuito sozinhos ou, então, como complemento de um curso universitário sobre circuitos integrados lineares, especialmente os que possuem laboratório de eletrônica. Nos nove primeiros capítulos, discorremos sobre os circuitos básicos de alimentação bipolar e sobre operacionais Norton, através de vários exemplos numéricos. Além disso, um capítulo foi reservado para o amplificador de instrumentação, de popularidade crescente, que amplifica sinais de nível baixo. O amplificador operacional é, talvez, o mais versátil dos circuitos integrados ora em uso, o que levou os autores de um livro a proclamar: "Os operacionais são a invenção mais sensacional desde a pílula anticoncepcional". 

 Como em meus outros livros, gostaria de agradecer a David Larsen e a Peter Rony, do Instituto Politécnico da Universidade do Estado de Virginia, e à equipe da Tychon Inc., pelos seus valiosos conselhos e assistência, e à, E&L Instruments Inc., que continua auxiliando em meus empreendimentos. Sou grato também a todos os fabricantes citados nesse livro, pela liberação do material aqui exposto, como, por exemplo, as reproduções das folhas de especificações técnicas de seus catálogos. 

CAPÍTULO 1 

O que é um Amplificador Operacional? 

INTRODUÇÃO 

O que é um amplificador operacional? Neste capítulo, procuraremos defini-lo e discutir muitos parâmetros que distinguem os vários tipos existentes. 

OBJETIVO

No final deste capítulo, você deverá ser capaz de:

1 Definir os seguintes termos:

separação de canais
ganho em malha fechada
razão de rejeição em modo comum
produto ganho-largura de faixa
compensação da corrente de polarização de entrada
corrente de compensação de entrada
tensão de compensação de entrada
resistência de entrada
faixa de tensões de entrada
entrada inversora
ganho de malha
entrada não-inversora
ganho em malha aberta
amplificador operacional
resistência de saída
variação da tensão de saída
slew rate ou razão de resposta

2 - Interpretar especificações técnicas típicas de um operacional.  

3 - Medir alguns dos parâmetros mais comuns dos operacionais. 

O AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL 

Antes da análise propriamente dita dos amplificadores operacionais comerciais, teceremos um breve comentário a respeito deste dispositivo, apresentando suas características ideais. O termo "operacional" foi originalmente empregado para designar uma série de amplificadores de corrente contínua de alto desempenho. Estes eram usados como elemento básico em computadores analógicos. Hoje em dia, esse termo é designativo dos amplificadores de CC de ganho elevado que possuem redes externas de realimentação para controlar sua resposta. O amplificador ideal, sem essa realimentação, isto é, em condição de malha aberta, apresenta as seguintes características:

1 - Ganho de malha aberta — infinito 

2 - Resistência de entrada — infinita 

3 - Resistência de saída — nula 

4 - Largura da faixa de freqüência — infinita 

5 - Saída de tensão — nula, quando a tensão de entrada for igual a zero (isto é, compensação nula). 

Na prática, nenhum operacional pode satisfazer essas cinco ca-racterísticas; entretanto, isso não representa uma limitação operacional para esse dispositivo, como veremos nos próximos capítulos. 

O SÍMBOLO DO OPERACIONAL 

A simbologia referente aos operacionais varia dependendo da fonte de informação que você esteja utilizando. A figura 1-1 mostra os dois símbolos mais comuns. Nas duas versões, ele apresenta duas entradas, uma inversora (—) e outra não-inversora ( + ), e uma única saída. Normalmente, o amplificador operacional é alimentado por uma fonte bipolar, cuja faixa de tensão varia de ± 5 a ± 15V. As suas conexões são geralmente omitidas no esquema elétrico.

 

FOLHA DE ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DE UM OPERACIONAL

 

Talvez o melhor meio de se estudar as características de um amplificador operacional consista no exame da folha de especificações técnicas fornecida pelo fabricante. Às vezes, são dedicadas várias páginas do manual de circuitos integrados a essa parte. Essa folha de dados geralmente contém as seguintes informações (figura 1-2): 

1 - Descrição geral do operacional 

2 - Esquema equivalente do circuito interno

3 - Pinagem do dispositivo (numeração dos pinos) 

4 - Parâmetros máximos absolutos 

5 - Características elétricas 

6 - Curvas típicas de desempenho 

Nesta seção veremos os parâmetros mais importantes utilizando, para isso, o operacional 741. 

Parâmetros Máximos 

Os parâmetros máximos (fig. 1-2) são as condições limite toleradas pelo operacional, sem que haja o perigo de avariá-lo. 

1 - Tensão de alimentação (-±. VO -Tensão máxima positiva e negativa para alimentação de um operacional.

 

2 - Dissipação interna de potência (Dp) - Potência de dissipação máxima de um operacional para uma dada temperatura ambiente (500 mW @ < 75°C, por exemplo). 

3 - Tensão diferencial de entrada (Vde) - Tensão máxima que pode ser aplicada entre as entradas + e —. 

4 - Tensão de entrada (Vemc) - Tensão máxima de entrada que pode ser aplicada simultaneamente entre as duas entradas e a terra; também conhecida como tensão em modo comum. Em geral, essa tensão máxima é igual à tensão de fonte. 

5 - Temperatura de operação (Ta) - Faixa de temperatura ambiente em que um operacional operará, sem fugir das especificações fornecidas pelo fabricante. Observe que a versão militar (741) apresenta uma faixa de temperatura mais ampla do que a reservada para o comércio ou para o hobista (741C). 

6 - Duração de curto-circuito na saída - Período de tempo permissível para curto-circuito na saída do operacional, em relação à terra ou a um dos dois terminais da fonte. 

 

Características Elétricas 

As características elétricas de um operacional são geralmente definidas tendo como parâmetro a temperatura ambiente e a tensão de alimentação. No entanto, certos fatores podem fornecer dados suplementares, como a carga ou então a resistência da fonte. Os parâmetros quase sempre apresentam um valor mínimo, um típico e/ou um máximo. 

Parâmetros de Entrada 

1 - Tensão de compensação de entrada (Vice) - Tensão que deve ser aplicada a um dos terminais de entrada para se obter uma saída zero. Lembre-se que, para um amplificador operacional ideal, a compensação da tensão de saída é zero! 

2 - Corrente de polarização de entrada (Ip) - Média das correntes que fluem em ambas as entradas. No caso de um amplificador operacional ideal, elas seriam iguais. 

3 - Corrente de compensação de entrada (Ice) - Diferença entre as duas correntes de polarização de entrada, quando a tensão de saída é zero. 

4 - Faixa de tensão de entrada (Vim) - Faixa de tensão de entrada em modo comum, isto é, a tensão comum a ambas as entradas e à terra. 

5 - Resistência de entrada (Ze) - Resistência vista por uma das entradas quando a outra está aterrada.

 

Parâmetros de Saída 

1 - Resistência de saída (Z) - Resistência vista "olhando-se" para a saída do operacional. 

2 - Corrente de saída em curto-circuito (Isco) - Corrente máxima de saída que um operacional pode fornecer à carga. 

3 - Variação da tensão de saída (± Vsmax) - Tensão de pico de saída que o operacional, dependendo da resistência de carga, pode fornecer sem saturar ou ceifar. 

Parâmetros Dinâmicos 

1 - Ganho de tensão em malha aberta (Ama) - Relação entre a tensão de entrada e a de saída de um operacional. 

2 - Ganho de tensão de grandes sinais - Relação entre a máxima variação de tensão e a variação da tensão de entrada necessária à modificação da saída de OV para uma tensão especificada (por exemplo, ± 10V). 

 

3 - Slew rate ou razão de resposta (Rr) - Variação máxima de tensão de saída em função do tempo, quando o ganho de tensão é unitário. 

 

Outros Parâmetros 

1 - Corrente da fonte - Corrente drenada, pelo operacional, da fonte de alimentação. 

2 - Razão de rejeição em modo comum (RRMC) - Medida da capacidade de rejeição de sinais presentes simultaneamente nas duas entradas do operacional. É a relação entre a tensão de entrada em modo comum e a tensão produzida na saída, geralmente expressa em decibéis (dB). 

3 - Separação de Canais - A utilização de um integrado composto por mais de um operacional sempre acarreta interferências mútuas (crosstalk) como no ca so do 747, que tem dois operacionais. Um sinal, aplicado na entrada de um deles, produzirá um sinal mensurável no outro, mesmo se não houve sinal aplicado na entrada deste último. 

Esses parâmetros e suas implicações, a priori, poderão lhe parecer um tanto quanto confusos; todavia, você não deve se preocupar, pois a leitura e a execução das experiências aqui descritas lhe proporcionarão material necessário para uma total compreensão. 

GANHO E RESPOSTA DE FREQÜÊNCIA 

Ao contrário do amplificador operacional ideal, o dispositivo real disponível no mercado não apresenta ganho e largura de faixa in-finitos. A figura 1-3 mostra a representação gráfica do ganho em malha aberta, em função da frequência, para o 741. Em frequências muito baixas, o ganho permanece constante, iniciando urna atenuação em aproximadamente 6Hz; numa relação de — 6dB/oitava ou — 20dB/ década. Uma oitava corresponde ao intervalo entre duas frequências, cuja razão é de 2/1, e uma década, a um intervalo entre duas frequências cuja razão é de 10/1. Essa atenuação continua até que o ganho se iguale a 1 (ou zero dB). Esse ponto corresponde freqüência de ganho unitário (Fr).

Como veremos no capítulo 2, a razão entre as tensões de saída e de entrada, quando uma parcela do sinal de saída é realimentada à entrada, é denominada ganho em malha fechada (Amf), sendo este sempre menor que o de malha aberta. A diferença em decibéis entre esses dois ganhos é chamada ganho de malha (Am). Este último poderá ser expresso mais simplesmente, se o ganho em malha aberta e o de malha fechada forem considerados apenas relações entre a entrada e a saída: 

 

Talvez o primeiro fator a ser ponderado, em um operacional, seja o produto ganho-largura de faixa de freqüência ou PGL. Observe a fi-gura 1-3: esse produto é constante para qualquer ponto da curva; assim, podemos afirmar que: 

 

PGL = Ama . Lf             (Equação (1-2) 

Graficamente, o limite superior da faixa de frequências corresponde ao ponto de intersecção das curvas de ganho em malha aberta e em malha fechada. Afigura 1-4 mostra esses pontos para uma família de ganhos em malha fechada. A determinação da largura de faixa para qualquer ganho desta família é obtida traçando-se uma linha horizontal na altura do valor desse ganho, até a sua intersecção com a rampa da curva do ganho em malha aberta. Na prática, valor do ganho em malha fechada deverá permanecer entre 1/10 e 1/20 do ganho em malha aberta, para uma frequência determinada, garantindo assim o funcionamento sem distorções do amplificador operacional. Por exemplo, - o ganho em malha fechada a 10kHz (fig. 1-3) deverá se si-tuar entre 5 e 10, pois a ganho em malha aberta é igual a 100 (40dB).  

 

A resposta a transientes ou tempo de subida é outro importante parâmetro a ser considerado. Ele é definido como sendo o tempo de transição necessário para que o sinal de saída passe de 10% para 90% do seu valor final, ao se aplicar um pulso na entrada. Ele é especificado em condições de malha fechada. A relação entre o tempo de subida e a largura de faixa do operacional é dada pela fórmula: 

A FONTE DE ALIMENTAÇÃO 

Em geral, os operacionais trabalham com uma alimentação bipolar, numa faixa de tensão compreendida entre ± 5 e ± 15V; isto é, um dos terminais da fonte apresenta uma tensão de + 5 a + 15V, enquanto que o outro, uma tensão de —5 a —15V, ambos em relação à terra (fig. 1-5). Entretanto, há certos casos em que um operacional pode ser alimentado por uma fonte unipolar. Esse modo de operação será explicado extensivamente nos capítulos 8 e 9 deste livro. 

 EXPERIÊNCIAS 

Este livro é basicamente um estudo dirigido, composto por exercícios e textos explicativos. Aqui você terá oportunidade de construir e analisar experiências que mostram princípios, conceitos e aplicações de vários circuitos básicos, usando operacionais. A profusão de experiências garante a assimilação completa do conhecimento relativo ao projeto e operação desses circuitos. Na maioria dos casos, não será necessário a execução de todas em cada capítulo.

PLACA DE TESTE (TIPO BREADBOARD) 

A placa de teste foi projetada para acomodar as várias experiências que serão abordadas neste e nos capítulos subsequentes. Os operacionais, resistores, capacitores e outros componentes, assim como a alimentação, são conectados diretamente a essa placa.

A figura 1-6 exibe uma dessas bases típicas para placas de teste, onde os componentes são montados sem o auxílio de. solda. Ele é constituído por duas fileiras, com 64 conjuntos de três terminais de conexão cada, que se estendem ao longo de um sulco central, e mais oito conjuntos de 25 terminais conectados eletricamente, ao longo da borda da placa. O grupo central de cinco terminais, além de acomodar os integrados, permite quatro conexões adicionais a cada pino do integrado. Outro acessório para teste, fabricado pela firma americana

E&L Instruments, é mostrado na figura 1-7. Ele é constituído por um soquete, um gerador de funções e fontes de alimentação de ± 15V/± 5V; suas características e sua operação são explicadas no apêndice deste livro. Com base nessas informações, o leitor poderá montar seu próprio laboratório de testes ou procurar um acessório semelhante no comércio local. 

NORMAS PARA EXECUÇÃO DAS SUAS EXPERIÊNCIAS 

Neste livro você fará experiências com vários circuitos, ora utilizando uma placa de teste, ora um outro método mais conveniente. Se você já leu um dos seguintes livros, essas normas lhe serão familiares: 

1 - Larsen, D.G. e P.R. Rony, Logic & Memory Experiments Using TTL Integrated Circuits, volumes 1 e 2. Howard W. Sams & Co., Inc. 

2 - Rony, P.R., Larsen, D.G., e J.A. Titus, The 8080A Bugbook, Ho-ward W. Sams & Co., Inc. 

3 - Rony, P.R., Larsen, D.G., e J.A. Titus, Introductory Experiments in Digital Electronics e 8080A Microcomputer Programming and Interfacing, Volumes 1 e 2. Howard Sams & Co., Inc. 

4 - Berlin H.M., 555 Timer Applications Sourcebook, with experiments, Howard W. Sams & Co., Inc., já publicado no Brasil pela Editele sob o título "Aplicações para o 555 com experiências". 

5 - Berlin H.M., Design of Ative Filters, with experiments, Howard W. Sams & Co., Inc. 

Antes de iniciar suas experiências, recomendamos o seguinte: 

1 - Elabore a sua experiência antecipadamente. Cientifique-se dos resultados que deverão ser observados. 

2 - Desconecte toda a alimentação e fontes de sinais da placa de teste. 

3- Retire toda a fiação e componentes de experiências anteriores, a não ser que seja especificado o contrário. Confira as ligações do circuito montado, comparando-o com o diagrama esquemático. 

4 - A conexão da alimentação e das fontes de sinais deve ser efetuada em último lugar! 

5 - Ao terminar, certifique-se da total desconexão da alimentação e das fontes de sinal, a fim de remover a fiação e os componentes da placa. 

PROCEDIMENTO PARA AS EXPERIÊNCIAS 

As instruções para cada experiência são apresentadas da seguinte forma: 

Objetivo 

O material apresentado sob este título define os objetivos da ex-periência. É sempre bom tê-los em mente para conduzi-la a um bom termo. 

Pinagem do Circuito Integrado 

A numeração dos pinos do integrado será sempre apresentada sob esse título neste livro. 

Diagrama Esquemático do Circuito 

Aqui, será apresentado um esquema completo do circuito a ser montado na experiência. Você deverá analisá-lo, esforçando-se para apreender o máximo, antes de prosseguir. 

Fundamentos Teóricos para Projeto 

Aqui, encontraremos as equações usadas no projeto do circuito. 

 

Etapas 

Uma série de etapas o instruirá na montagem das experiências. Estas serão acompanhadas de algumas perguntas ao longo do texto. Os cálculos numéricos serão facilmente efetuados com uma calculado-ra de bolso. 

SUGESTÕES E DICAS ÚTEIS 

Ferramentas Nessas experiências, necessitaremos de apenas duas ferramentas:

1 - um alicate de bico longo 

2 - um desencapador/cortador de fios 

O alicate é usado para: 

1 - Estender as extremidades dos fios de ligação para a placa de teste. 

2 - Estender ou curvar os terminais de resistores, capacitores e de ou-tros componentes, de modo a colocá-los na posição apropriada para sua inserção na placa de teste. 

O desencapador/cortador de fios é usado para: 

1 - cortar os fios de ligação em um tamanho conveniente; 

2 - desencapar aproximadamente 1 cm do isolamento, nas extremidades cada fio. 

Fiação 

Somente fios encapados de bitola 22, 24, 26 são adequados; eles devem ser sólidos, não trançados! 

Placa de Teste (Breadboard) 

1 - Nunca introduza um fio ou terminal de componente muito grande nos terminais do soquete. 

2 - Nunca introduza um fio torto. Estique-o antes de sua inserção. 

3 - Tente manter boa ordem na disposição dos componentes e fios na placa, conservando os terminais os mais curtos possíveis. 

4 - Primeiramente, planifique a construção de seu circuito numa folha adequada, semelhante àquela da figura 1-8. 

Essas folhas podem ser copiadas do livro ou feitas por você mesmo, de acordo com o tipo de placa de que dispuser. 

Componentes e Outros Acessórios 

Uma variedade de resistores, capacitores e outros componentes serão necessários em nossas experiências. Esses componentes geralmente fazem parte da bancada de trabalho dos aficionados em eletrônica e podem ser facilmente obtidos no comércio especializado. 

Resistores 

Os resistores fixos listados a seguir serão necessários para a execução das experiências. Eles deverão ser de 1/4W ou 1/2W, com uma tolerância de 5%. 

 

traço simples, mas o de traço duplo é preferível, pois assim a compa-ração entre sinais de entrada e saída será substancialmente facilitada. 

VOM, VTVM ou Multímetro Digital 

Será necessário um medidor comum, capaz de efetuar medidas de corrente e tensão CC e CA. Se você puder utilizar um medidor digital, a precisão das medidas aumentará bastante.

 

Gerador de Funções 

Um gerador de funções, capaz de produzir saídas senoidais, quadradas e triangulares com frequência e amplitude ajustáveis, será bastante útil. O símbolo abaixo será usado quando houver uma saída senoidal:

 

Para saídas de onda quadrada, teremos este: 

 

E para a saída triangular, este outro: 

Calculadora de Bolso 

Aconselhamos o uso de uma calculadora simples de quatro funções, para efetuar cálculos rotineiros, embora isso não seja obrigatório. A figura 1-9 mostra o tipo de equipamento essencial a suas experiências. 

 

Amplificadores Operacionais 

Os operacionais que usaremos aqui são de baixo custo e muito populares. Somente um ou dois tipos bastarão para a realização de nossas experiências. Esses deverão ser dual-in-line (DIP), pois este tipo de invólucro é o único adaptável à placa de teste que utilizamos. Esses integrados são semelhantes, fisicamente, aos integrados TTL de 14 ou 16 pinos e aos CMOS. O operacional 741 será usado em quase todas as nossas experiências. De preferência, deverá ser usado o invólucro de oito pinos mini-DIP. Você necessitará dos seguintes integrados para executar as experiências descritas neste livro. 

3 operacionais 741 

1 amplificador operacional LM318 

1 amplificador operacional LM3900 

1 amplificador de instrumentação Burr-Brown 3660J (ou equivalente) 

As páginas a seguir apresentarão as folhas de especificações técnicas dos seguintes operacionais: 

µA747 (Signetics);     

5558 (Signetics); 

LM118/218/318 (National Semiconductor); 

4156 (Raytheon)