Modelos de amplificadores operacionais
Enquanto a menção de amplificadores operacionais normalmente provoca visões de dispositivos semicondutores construídos como circuitos integrados em um chip de silício em miniatura, os primeiros amplificadores operacionais eram, na verdade, circuitos de válvula a vácuo. O primeiro amplificador operacional comercial de uso geral foi fabricado pela George A. Philbrick Researches, Incorporated, em 1952. Designado K2-W, foi construído em torno de dois tubos triodo duplo montados em um conjunto com um octal (8 pinos) soquete para fácil instalação e manutenção em chassis de equipamentos eletrônicos da época. A montagem parecia mais ou menos assim:
O diagrama esquemático mostra os dois tubos, junto com dez resistores e dois capacitores, um projeto de circuito bastante simples, mesmo para os padrões de 1952:
Como funcionam os tubos de vácuo?
Caso você não esteja familiarizado com a operação de tubos de vácuo, eles operam de forma semelhante aos transistores IGFET de depleção do canal N:isto é, eles conduzem mais corrente quando a grade de controle (a linha tracejada) é tornada mais positiva em relação ao cátodo (a linha dobrada perto da parte inferior do símbolo do tubo) e conduz menos corrente quando a grade de controle se torna menos positiva (ou mais negativa) do que o cátodo. O tubo triodo duplo à esquerda funciona como um par diferencial , convertendo as entradas diferenciais (sinais de tensão de entrada de inversão e não inversão) em um único sinal de tensão amplificado que é então alimentado para a grade de controle do tríodo esquerdo do segundo par de triodo através de um divisor de tensão (1 MΩ - 2,2 MΩ). Esse triodo amplifica e inverte a saída do par diferencial para um ganho de voltagem maior, então o sinal amplificado é acoplado ao segundo triodo do mesmo tubo triodo duplo em uma configuração de amplificador não inversor para um ganho de corrente maior. Os dois “tubos de incandescência” de néon atuam como reguladores de voltagem, semelhante ao comportamento dos diodos zener semicondutores, para fornecer uma voltagem de polarização no acoplamento entre os dois triodos amplificadores de terminação única.
Com uma tensão de alimentação dupla de + 300 / -300 volts, este amplificador operacional só poderia oscilar sua saída +/- 50 volts, o que é muito ruim para os padrões de hoje. Ele tinha um ganho de tensão de circuito aberto de 15.000 a 20.000, uma taxa de variação de +/- 12 volts / µsegundo, uma corrente de saída máxima de 1 mA, um consumo de energia quiescente de mais de 3 watts (não incluindo a energia para os filamentos das válvulas !), e custam cerca de US $ 24 em 1952 dólares. Melhor desempenho poderia ter sido alcançado usando um design de circuito mais sofisticado, mas apenas às custas de maior consumo de energia, maior custo e menor confiabilidade.
Impacto de transistores de estado sólido em Op-Amps
Com o advento dos transistores de estado sólido, amplificadores operacionais com muito menos consumo de energia quiescente e maior confiabilidade tornaram-se viáveis, mas muitos dos outros parâmetros de desempenho permaneceram os mesmos. Tome por exemplo o modelo P55A de Philbrick, um amplificador operacional de estado sólido de uso geral por volta de 1966. O P55A apresentava um ganho de malha aberta de 40.000, uma taxa de variação de 1,5 volt / µsegundo e uma oscilação de saída de +/- 11 volts ( com uma tensão de alimentação de +/- 15 volts), uma corrente de saída máxima de 2,2 mA e um custo de $ 49 (ou cerca de $ 21 para a versão de “classe de utilidade”). O P55A, bem como outros amplificadores operacionais na linha de Philbrick da época, era de construção de componentes discretos, seus transistores, resistores e capacitores constituintes alojados em um "tijolo" sólido semelhante a um grande pacote de circuito integrado.
Não é muito difícil construir um amplificador operacional bruto usando componentes discretos. Um esquema de um desses circuitos é mostrado na Figura abaixo.
Um amplificador operacional simples feito de componentes discretos.
Embora seu desempenho seja bastante sombrio para os padrões modernos, ele demonstra que a complexidade não é necessária para criar um amplificador operacional minimamente funcional. Transistores Q 3 e Q 4 formam o coração de outro circuito de par diferencial, o semicondutor equivalente ao primeiro tubo triodo no esquema K2-W. Como acontecia no circuito da válvula a vácuo, o objetivo de um par diferencial é amplificar e converter uma tensão diferencial entre os dois terminais de entrada em uma tensão de saída de terminação única.
Impacto da tecnologia de circuito integrado em projetos de amp op
Com o advento da tecnologia de circuito integrado (IC), os designs de amplificadores operacionais tiveram um aumento dramático em desempenho, confiabilidade, densidade e economia. Entre os anos de 1964 e 1968, a Fairchild introduziu três modelos de amplificadores operacionais IC:o 702, 709 e o ainda popular 741. Embora o 741 seja agora considerado desatualizado em termos de desempenho, ainda é um dos favoritos entre amadores por sua simplicidade e tolerância a falhas (proteção contra curto-circuito na saída, por exemplo). A experiência pessoal abusando de muitos amplificadores operacionais de 741 me levou à conclusão de que é um chip difícil de matar. . .
O diagrama esquemático interno para um amplificador operacional modelo 741 é mostrado na Figura abaixo.
Diagrama esquemático de um op-amp modelo 741.
Pelos padrões de circuito integrado, o 741 é um dispositivo muito simples:um exemplo de integração em pequena escala , ou SSI tecnologia. Não seria fácil construir este circuito usando componentes discretos, então você pode ver as vantagens até mesmo da mais primitiva tecnologia de circuito integrado sobre componentes discretos onde contagens de peças altas estão envolvidas.
Comparação das especificações de desempenho de alguns amplificadores operacionais
Para entusiastas, estudantes ou engenheiros que desejam maior desempenho, existem literalmente centenas de modelos de amplificadores operacionais para escolher. Muitos são vendidos por menos de um dólar cada, até mesmo no varejo! Instrumentação para fins especiais e amplificadores operacionais de radiofrequência (RF) podem ser um pouco mais caros. Nesta seção, apresentarei vários amplificadores operacionais populares e acessíveis, comparando e contrastando suas especificações de desempenho. O venerável 741 é incluído como um “benchmark” para comparação, embora seja, como disse antes, considerado um design obsoleto.
Amplificadores operacionais amplamente usados
Listados na Tabela acima estão apenas alguns dos modelos de amplificadores operacionais de baixo custo amplamente disponíveis em fornecedores de produtos eletrônicos. A maioria deles está disponível em lojas de suprimentos de varejo, como a Radio Shack. Todos estão abaixo de $ 1,00 de custo direto do fabricante (preços do ano de 2001). Como você pode ver, há uma variação substancial no desempenho entre algumas dessas unidades. Tome por exemplo o parâmetro da corrente de polarização de entrada:o CA3130 ganha o prêmio para o mais baixo, em 0,05 nA (ou 50 pA), e o LM833 tem o mais alto, um pouco acima de 1 µA. O modelo CA3130 atinge sua corrente de polarização incrivelmente baixa por meio do uso de transistores MOSFET em seu estágio de entrada. Um fabricante anuncia a impedância de entrada do 3130 como 1,5 tera-ohms ou 1,5 x 10 12 Ω! Outros amplificadores operacionais mostrados aqui com valores de corrente de polarização baixa usam transistores de entrada JFET, enquanto os modelos de corrente de polarização alta usam transistores de entrada bipolares.
Embora o 741 seja especificado em muitos esquemas de projetos eletrônicos e apresentado em muitos livros didáticos, seu desempenho há muito foi superado por outros designs em todas as medidas. Até mesmo alguns projetos originalmente baseados no 741 foram aprimorados ao longo dos anos para ultrapassar em muito as especificações do projeto original. Um exemplo é o modelo 1458, dois amplificadores operacionais em um pacote DIP de 8 pinos, que ao mesmo tempo tinha exatamente as mesmas especificações de desempenho do 741 único. Em sua última encarnação, ele ostenta uma faixa de tensão de fonte de alimentação mais ampla, taxa 50 vezes maior e quase duas vezes a capacidade de corrente de saída de um 741, enquanto mantém o recurso de proteção de curto-circuito de saída do 741. Op-amps com transistores de entrada JFET e MOSFET longe exceder o desempenho do 741 em termos de corrente de polarização e geralmente consegue superar o 741 em termos de largura de banda e taxa de variação.
Minhas recomendações pessoais para amplificadores operacionais são as seguintes:quando a corrente de polarização baixa é uma prioridade (como em circuitos integradores de baixa velocidade), escolha o 3130. Para trabalho com amplificador CC de uso geral, o 1458 oferece bom desempenho (e você obter dois amplificadores operacionais no espaço de um pacote). Para um upgrade no desempenho, escolha o modelo 353, pois é um substituto compatível com o pino do 1458. O 353 é projetado com circuitos de entrada JFET para corrente de polarização muito baixa e tem uma largura de banda 4 vezes maior que a do 1458, embora seu limite de corrente de saída é menor (mas ainda protegido contra curto-circuito). Pode ser mais difícil de encontrar na prateleira de sua casa de suprimentos de eletrônicos local, mas tem um preço tão razoável quanto o 1458.
Se a baixa tensão de alimentação for um requisito, eu recomendo o modelo 324, pois ele funciona em apenas 3 volts CC. Seus requisitos de corrente de polarização de entrada também são baixos e ele fornece quatro amplificadores operacionais em um único chip de 14 pinos. Sua principal fraqueza é a velocidade, limitada a largura de banda de 1 MHz e uma taxa de variação de saída de apenas 0,25 volts por µs. Para circuitos amplificadores CA de alta frequência, o 318 é um modelo de “uso geral” muito bom.
Amostras de alta largura de banda e amplificadores operacionais de alta corrente
Amplificadores operacionais para fins especiais estão disponíveis por um custo modesto, o que fornece melhores especificações de desempenho. Muitos deles são ajustados para um tipo específico de vantagem de desempenho, como largura de banda máxima ou corrente de polarização mínima. Considere, por exemplo, os amplificadores operacionais, ambos projetados para alta largura de banda na Tabela abaixo.
Amplificadores operacionais de alta largura de banda
O CLC404 está cotado a US $ 21,80 (quase tanto quanto o primeiro op-amp comercial de George Philbrick, embora sem correção pela inflação), enquanto o CLC425 é um pouco mais barato a US $ 3,23 por unidade. Em ambos os casos, a alta velocidade é alcançada às custas de altas correntes de polarização e faixas restritivas de tensão de alimentação. Alguns amplificadores operacionais, projetados para saída de alta potência, estão listados na Tabela abaixo.
Amplificadores operacionais de alta corrente
Sim, o LM12CL realmente tem uma classificação de corrente de saída de 13 amperes (13.000 miliamperes)! Ele custa US $ 14,40, o que não é muito dinheiro, considerando o poder bruto do dispositivo. O LM7171, por outro lado, troca a capacidade de saída de alta corrente por capacidade de saída de tensão rápida (uma alta taxa de variação). Ele custa US $ 1,19, quase tão baixo quanto alguns amplificadores operacionais de “uso geral”.
Pacotes de amplificadores também podem ser adquiridos como circuitos de aplicação completos, em oposição a amplificadores operacionais simples. As corporações Burr-Brown e Analog Devices, por exemplo, ambas conhecidas por suas linhas de produtos de amplificadores de precisão, oferecem amplificadores de instrumentação em pacotes pré-projetados, bem como outros dispositivos amplificadores especializados. Em projetos onde a alta precisão e repetibilidade após o reparo são importantes, pode ser vantajoso para o projetista do circuito escolher um “bloco” de amplificador pré-projetado em vez de construir o circuito a partir de amplificadores operacionais individuais. Claro, essas unidades normalmente custam um pouco mais do que amplificadores operacionais individuais.
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