IC 741 (amplificador operacional) Básico | Funcionamento do Circuito | Características

INTRODUÇÃO:

Os amplificadores operacionais são amplamente utilizados em nossos amplificadores de áudio, dentro de computadores (ou seja, DAC e ADC etc), amplificador instrumental (ou seja, usado em indústrias para detecção), comparadores, osciladores, filtros, amplificador log e antilog, V-I e I-V conversores, integradores, diferenciadores, dentro de 555 temporizadores geradores de ondas etc.

Você já pensou no que basicamente está dentro de um amplificador operacional (IC 741)? , como está configurado para desempenhar as diversas funções mencionadas acima e quais são suas características. Espero que este artigo forneça o conhecimento básico sobre o amplificador operacional.

Como o próprio nome indica AMPLIFICADOR OPERACIONAL, o que você acha da palavra OPERACIONAL?. Se você está pensando em operações matemáticas, então você está certo. É um dispositivo originalmente projetado para realizar uma operação matemática (isto é, adição, subtração, integração e diferenciação) e para lidar com sinais analógicos. Com a adição de componentes externos adequados, os amplificadores operacionais modernos podem ser usados ​​para uma variedade de aplicações, conforme mencionado acima. Também pode ser usado para amplificar sinais AC e DC, a palavra AMPLIFICADOR  refere-se ao aumento da força de um sinal.

É um amplificador de ganho muito alto que consiste em amplificadores diferenciais, consistem no conversor de nível e um estágio de saída. OP-amp é basicamente uma configuração de transistores com um valor adequado de resistores.

VAMOS FAZER UMA BREVE REVISÃO SOBRE IC 741:

Em 1965, a Fairchild apresentou o uA709, que é um amplificador operacional de primeira geração. Possui várias desvantagens, o que requer componentes externos para sua proteção. A desvantagem é:não há proteção contra curto-circuito, problema de travamento, problema de compensação de frequência que requer componentes externos (ou seja, 2 capacitores e um resistor).

Em 1968, a Fairchild introduziu o uA741 como uma propriedade compensada interna. Ao contrário do uA709, não apresenta problemas de travamento, proteção contra curto-circuito e estabilidade de frequência. O uA741 também é conhecido como amplificador operacional de segunda geração.

IDENTIFICAÇÃO DE IC E CONFIGURAÇÃO DE PIN DE IC 741

Desde que hoje em dia muitos fabricantes estão produzindo 741 op-amps. Como podemos identificar 741 op-amps são fabricados por um determinado fabricante. Muitos amplificadores operacionais são identificados usando um código de identificação de sete caracteres. Por exemplo

Em primeiro lugar, o prefixo identifica um determinado fabricante. Em segundo lugar, o designador que nos diz duas coisas ((i) número de três dígitos identifica o tipo de amplificador operacional. (ii) a última letra indica a temperatura de operação de um amplificador operacional específico). Em terceiro lugar, o sufixo indica o tipo de pacotes.

O pino 7 e o pino 4 são usados ​​como pinos de alimentação, no pino 7 a alimentação positiva deve ser conectada e no pino 4 a alimentação negativa deve ser conectada. Ele tem duas entradas (ou seja, uma está invertendo o pino 2 de entrada e outra é o pino de entrada não inversor 3). O pino 1 e o pino 5 são pinos nulos de compensação, um potenciômetro (valor típico de 10k) é conectado entre esses terminais para definir a saída como zero. O pino 8 não tem conexão com o circuito interno do amplificador operacional, é feito para preencher totalmente o IC empacotado de 8 pinos padrão.

CIRCUITO INTERNO DE IC741 OP-AMP:

Basicamente, 741 transistor bipolar op-amp IC compreende 20 transistores BJT. Agora, para entender o circuito interno, vamos dividir o circuito em diferentes blocos.

1. O bloco destacado em azul é composto por um amplificador diferencial.
2. Os blocos destacados em vermelho compreendem os espelhos atuais.
3. O bloco destacado em magenta, composto por amplificador de classe A (ou seja, amplificador de tensão)
4. O bloco destacado em verde e ciano é composto por um conversor de nível e um amplificador de saída (ou seja, amplificador classe AB).

Agora vamos entender cada um dos blocos:

O amplificador diferencial compreende primeiramente um seguidor de emissor NPN compatível Q1 e Q2 que fornece alta impedância de entrada e fornece ganho, em segundo lugar, transistores PNP Q3 e Q4 de base comum combinados que são usados ​​para acionar a carga ativa Q7, Q5 e Q6. Q5 e Q6 são o par combinado e executam a função do amplificador diferencial para o sinal de entrada nulo de compensação. A corrente de Q5 e Q6 é controlada variando um potenciômetro de 10k conectado entre os pinos de entrada 1 e 5. Os transistores Q1&Q3 estão em cascata em série e o Q2&Q4 também está em cascata, o que proporciona alto ganho quando a entrada é aplicada em seus terminais de entrada. O amplificador diferencial também tem a capacidade de rejeitar sinais comuns (ou seja, ruídos que são comuns em ambos os terminais de entrada).

Os espelhos de corrente compostos por (Q8-Q9) e (Q12-Q13) são configurados como espelho de corrente Wilson. Considerando que, os transistores Q10-Q11 são configurados como espelhos de corrente mais amplos, esses espelhos de corrente mantêm uma corrente quiescente constante no circuito para uma operação estável.

O amplificador de classe A consiste em dois transistores NPN Q15 e Q19 que são configurados como par Darlington e fornecem ganho de tensão, o transistor Q22 é usado para evitar excesso de corrente fornecido a Q20 (ou seja, transistor coletor que recebe corrente do par Darlington de coletor comum) .

Transistor Q16 junto com resistor de 4,5k e 7,5k (conhecido como voltage level shifter), este circuito usa para evitar que o sinal de saída seja distorcido. Agora o amplificador no estágio de saída em um amplificador classe AB (consistindo em Q14, Q17&Q20). Q14 e Q20 é um amplificador de classe AB complementar que fornece impedância de saída (normalmente 50-75 Ohms) e fornece ganho de corrente. Enquanto Q17 limita a corrente na saída.

A corrente do espelho de corrente (Q8 e Q9) é dividida no amplificador diferencial composto por (Q1-Q3) e (Q2-Q4). Agora a corrente dos transistores de base comum (Q3&Q4) é somada com a corrente do espelho de corrente mais amplo (Q10&Q11), Q7 é usado para acionar Q5 e Q6. A corrente quiescente é ajustada em Q16 e Q19 é ajustada devido ao espelho de corrente Wilson (Q12&Q13). O valor de 30pF é usado para compensação de frequência.

CONFIGURAÇÃO  DO OP-AMP (IC 741):

Duas configurações principais de op-amp

1) Configuração em malha aberta:nesta configuração o 741IC pode ser usado como um amplificador de ganho muito alto. Em malha aberta, o ganho é idealmente infinito, portanto, a saída saturará em tensão de alimentação positiva ou em tensões de alimentação negativas. Este sistema de malha aberta tem três configurações básicas:

a) AMPLIFICADOR DIFERENCIAL:
b) AMPLIFICADOR INVERSOR:
c) AMPLIFICADOR NÃO INVERSOR:

2) Configuração de malha fechada:nesta configuração, é conectado como um arranjo de realimentação negativa. A rede de feedback é através de um resistor (ou seja, um componente passivo)

a) AMPLIFICADOR NÃO INVERSOR: a entrada é aplicada no terminal de entrada não invertido. O ganho pode ser calculado usando o valor dos resistores. Rf é o resistor de realimentação.

Av=1 + (Rf / R1)

b) AMPLIFICADOR INVERSOR:a entrada é aplicada no terminal inversor.

       Av=– (Rf / R1)

c) AMPLIFICADOR DIFERENCIAL:nesta entrada é aplicado em ambas as entradas, o que amplificará a diferença entre as duas entradas.

Av=

d) SEGUIDOR DE TENSÃO:É um arranjo que utiliza um amplificador não inversor, neste ao invés de dar uma realimentação através de um resistor, vamos dar um curto na realimentação Rf e abrir R1. O ganho do circuito de realimentação será reduzido para (Av=1), ele é usado como buffer. Neste, a saída é igual à entrada. Por exemplo, usado em amplificador de instrumentação, para pegar um sinal muito pequeno (ou seja, em mV) de um transdutor.

CARACTERÍSTICAS DO IC 741(OP-AMP):

1) ENTRAR CORRENTE DE VIZINHO:

Uma vez que o amplificador operacional é composto por transistores BJT, um amplificador diferencial que requer corrente de polarização CC para operação estável. O valor da corrente de polarização dc quiescente extraída pelo op-amp é chamado de classificação de corrente de polarização de entrada de um amplificador.

uA741 a classificação está entre 80nA(típico) a 500nA(máximo). A corrente de polarização de entrada é a média de duas correntes de base de entrada.

I(viés) = (I(b1) + I(b2)  ) / 2

2) CORRENTE DE COMPENSAÇÃO DE ENTRADA:

A diferença entre a corrente nos terminais de entrada inversora e não inversora é chamada de corrente de compensação de entrada. Ela nos diz quão maior uma corrente é de outra. 741 tem tipicamente 20nA desta corrente.

Menor a corrente de offset melhor o op-amp.

I(b1)=corrente do terminal de entrada não inversora

I(b2)=corrente do terminal de entrada inerte

I(io)=| I(b1) – I(b2)  |

3) TENSÃO DE COMPENSAÇÃO DE ENTRADA:

Esta tensão é aplicada entre dois terminais de entrada para tornar a saída de um amplificador operacional nula. 741 tem uma tensão de compensação de entrada de pior caso de 5mV.

4) TAXA DE SLEW:

Slew rate identifica o quanto de frequência máxima na entrada é aplicada para evitar distorção na saída. 741 tem uma taxa de variação típica de 0,5 volts por microssegundo (V/us). É medido aplicando um pulso usando um gerador de função na entrada enquanto conecta os canais do osciloscópio na entrada e na saída (defina o osciloscópio no modo duplo). Este é um parâmetro muito importante.

5) Carga de saída:

Requer carga em uma saída maior que 2k Ohm. Tem uma impedância de entrada de cerca de 2Megaohms e impedância de saída entre (50-75) Ohms. Seu ganho de malha aberta é de cerca de 200.000 para frequências mais baixas.

RESPOSTA DE FREQUÊNCIA:

Em malha aberta, o op-amp 741 tem ganho muito alto, esta resposta não é muito boa. Para melhorar o ganho aplicamos uma rede de feedback negativo, aplicando uma rede de feedback negativo o ganho começa a cair drasticamente, aplicando mais feedback negativo a largura de banda se torna mais ampla. (a largura de banda refere-se às faixas de frequências que o amplificador operacional suportará).