O Amplificador “Operacional”

Muito antes do advento da tecnologia eletrônica digital, os computadores foram construídos para realizar cálculos eletronicamente, empregando tensões e correntes para representar quantidades numéricas. Isso foi especialmente útil para a simulação de processos físicos. Uma tensão variável, por exemplo, pode representar a velocidade ou força em um sistema físico. Por meio do uso de divisores de tensão resistivos e amplificadores de tensão, as operações matemáticas de divisão e multiplicação podem ser facilmente realizadas nesses sinais.

Função derivada de cálculo como base para calcular a corrente do capacitor

As propriedades reativas de capacitores e indutores se prestam bem à simulação de variáveis ​​relacionadas por funções de cálculo. Lembre-se de como a corrente através de um capacitor era uma função da taxa de variação da tensão, e como essa taxa de variação foi designada no cálculo como a derivada ? Bem, se a tensão através de um capacitor fosse feita para representar a velocidade de um objeto, a corrente através do capacitor representaria a força necessária para acelerar ou desacelerar esse objeto, a capacitância do capacitor representando a massa do objeto:


Este cálculo eletrônico analógico da função derivada do cálculo é tecnicamente conhecido como diferenciação , e é uma função natural da corrente de um capacitor em relação à voltagem aplicada através dele. Observe que este circuito não requer “programação” para executar esta função matemática relativamente avançada como um computador digital faria.

Os circuitos eletrônicos são muito fáceis e baratos de criar em comparação com sistemas físicos complexos, portanto, esse tipo de simulação eletrônica analógica foi amplamente utilizado na pesquisa e no desenvolvimento de sistemas mecânicos. Para uma simulação realista, porém, os circuitos amplificadores de alta precisão e fácil configuração eram necessários nesses primeiros computadores.

Vantagem de diferencial sobre amplificador de extremidade única

Foi descoberto no curso do projeto do computador analógico que os amplificadores diferenciais com ganhos de voltagem extremamente altos atendiam a esses requisitos de precisão e configurabilidade melhor do que os amplificadores de terminação única com ganhos personalizados. Usando componentes simples conectados às entradas e saídas do amplificador diferencial de alto ganho, virtualmente qualquer ganho e qualquer função podem ser obtidos do circuito, em geral, sem ajustar ou modificar o circuito interno do próprio amplificador. Esses amplificadores diferenciais de alto ganho passaram a ser conhecidos como amplificadores operacionais , ou op-amps, por causa de sua aplicação em operações matemáticas de computadores analógicos.

Alguns recursos de amplificadores operacionais

Os amplificadores operacionais modernos, como o popular modelo 741, são circuitos integrados de alto desempenho e baratos. Suas impedâncias de entrada são bastante altas, as entradas puxando correntes na faixa de meio microampere (máximo) para o 741, e muito menos para amplificadores operacionais que utilizam transistores de entrada de efeito de campo. A impedância de saída é normalmente muito baixa, cerca de 75 Ω para o modelo 741, e muitos modelos têm proteção contra curto-circuito de saída embutida, o que significa que suas saídas podem ser diretamente em curto com o aterramento sem causar danos aos circuitos internos. Com acoplamento direto entre os estágios do transistor interno dos amplificadores operacionais, eles podem amplificar sinais DC tão bem quanto AC (até certos limites de tempo de aumento de tensão máximo). Custaria muito mais dinheiro e tempo para projetar um circuito amplificador de transistor discreto comparável para corresponder a esse tipo de desempenho, a menos que a capacidade de alta potência fosse necessária. Por essas razões, os amplificadores operacionais têm amplificadores de sinal de transistor discreto obsoletos em muitas aplicações.

O diagrama a seguir mostra as conexões de pinos para amplificadores operacionais únicos (741 incluído) quando alojados em um DIP de 8 pinos ( D ual I on-line P ackage) circuito integrado:



Alguns modelos de amp op vêm dois em um pacote, incluindo os modelos populares TL082 e 1458. Eles são chamados de unidades "duplas" e normalmente são alojados em um pacote DIP de 8 pinos também, com as seguintes conexões de pino:


Amplificadores operacionais também estão disponíveis quatro em um pacote, geralmente em arranjos DIP de 14 pinos. Infelizmente, as atribuições de pinos não são tão padrão para esses amplificadores operacionais "quádruplos" como são para as unidades "duplas" ou simples. Consulte a (s) ficha (s) do fabricante para obter detalhes.

Os ganhos de tensão do amplificador operacional prático estão na faixa de 200.000 ou mais, o que os torna quase inúteis como um amplificador diferencial analógico por si só. Para um amplificador operacional com ganho de voltagem (A _V ) de 200.000 e uma oscilação de tensão de saída máxima de + 15V / -15V, tudo o que seria necessário é uma tensão de entrada diferencial de 75 µV (microvolts) para levá-la à saturação ou corte! Antes de dar uma olhada em como os componentes externos são usados ​​para reduzir o ganho a um nível razoável, vamos investigar as aplicações para o amplificador operacional "vazio" por si só.

Comparador

Um aplicativo é chamado de comparador . Para todos os efeitos práticos, podemos dizer que a saída de um amplificador operacional será saturada totalmente positiva se a entrada (+) for mais positiva do que a entrada (-), e saturada totalmente negativa se a entrada (+) for menos positiva do que a entrada (-). Em outras palavras, o ganho de tensão extremamente alta de um amplificador operacional o torna útil como um dispositivo para comparar duas tensões e alterar os estados de tensão de saída quando uma entrada excede a outra em magnitude.



No circuito acima, temos um amplificador operacional conectado como um comparador, comparando a tensão de entrada com uma tensão de referência definida pelo potenciômetro (R ₁ ) Se V _em cai abaixo da tensão definida por R ₁ , a saída do amplificador operacional saturará para + V, acendendo assim o LED. Caso contrário, se V _em estiver acima da tensão de referência, o LED permanecerá apagado. Se Vin for um sinal de tensão produzido por um instrumento de medição, este circuito comparador pode funcionar como um alarme “baixo”, com o ponto de desarme definido por R ₁ . Em vez de um LED, a saída do amplificador operacional pode acionar um relé, um transistor, um SCR ou qualquer outro dispositivo capaz de alternar a alimentação para uma carga, como uma válvula solenóide, para agir no caso de um alarme baixo.

Conversor de onda quadrada

Outra aplicação para o circuito comparador mostrado é um conversor de onda quadrada. Suponha que a tensão de entrada aplicada à entrada inversora (-) seja uma onda sinusoidal CA em vez de uma tensão CC estável. Nesse caso, a tensão de saída faria a transição entre estados opostos de saturação sempre que a tensão de entrada fosse igual à tensão de referência produzida pelo potenciômetro. O resultado seria uma onda quadrada:


Ajustes na configuração do potenciômetro mudariam a tensão de referência aplicada à entrada de não inversão (+), que mudaria os pontos nos quais a onda senoidal cruzaria, alterando os tempos de ligar / desligar ou ciclo de trabalho da onda quadrada:


Deve ser evidente que a tensão de entrada CA não teria que ser uma onda senoidal em particular para que este circuito execute a mesma função. A tensão de entrada pode ser uma onda triangular, uma onda dente de serra ou qualquer outro tipo de onda que suba suavemente de positivo para negativo para positivo novamente. Esse tipo de circuito comparador é muito útil para criar ondas quadradas com ciclos de trabalho variáveis. Esta técnica às vezes é chamada de modulação por largura de pulso ou PWM (variando ou modulando uma forma de onda de acordo com um sinal de controle, neste caso o sinal produzido pelo potenciômetro).

Driver do gráfico de barras

Outro aplicativo de comparação é o driver do gráfico de barras. Se tivéssemos vários amplificadores operacionais conectados como comparadores, cada um com sua própria tensão de referência conectada à entrada inversora, mas cada um monitorando o mesmo sinal de tensão em suas entradas não-inversoras, poderíamos construir um medidor em estilo de gráfico de barras, como o que é comumente visto na face de sintonizadores estéreo e equalizadores gráficos. À medida que a tensão do sinal (representando a força do sinal de rádio ou nível de som de áudio) aumentava, cada comparador "ligava" em sequência e enviava energia para seu respectivo LED. Com cada comparador sendo ligado em um nível diferente de som de áudio, o número de LEDs acesos indicaria a intensidade do sinal.


No circuito mostrado acima, o LED1 seria o primeiro a acender conforme a tensão de entrada aumentasse em uma direção positiva. À medida que a tensão de entrada continuava a aumentar, os outros LEDs acenderiam em sucessão, até que todos estivessem acesos.

Essa mesma tecnologia é usada em alguns conversores de sinal analógico para digital, nomeadamente o conversor de flash , para traduzir uma quantidade de sinal analógico em uma série de tensões liga / desliga que representam um número digital.

REVER:

• A forma de um triângulo é o símbolo genérico para um circuito amplificador, a extremidade larga significa a entrada e a extremidade estreita significa a saída.
• A menos que especificado de outra forma, todos tensões em circuitos amplificadores são referenciadas a um terra comum ponto, geralmente conectado a um terminal da fonte de alimentação. Dessa forma, podemos falar de uma certa quantidade de tensão “em” um único fio, embora percebamos que a tensão é sempre medida entre dois pontos.
• Um amplificador diferencial é uma amplificação da diferença de voltagem entre duas entradas de sinal. Em tal circuito, uma entrada tende a conduzir a tensão de saída para a mesma polaridade do sinal de entrada, enquanto a outra entrada faz exatamente o oposto. Consequentemente, a primeira entrada é chamada de não inversão (+) entrada e a segunda é chamada de inversão (-) entrada.
• Um amplificador operacional (ou op-amp para abreviar) é um amplificador diferencial com um ganho de voltagem extremamente alto (A _V =200.000 ou mais). Seu nome vem de seu uso original em circuitos analógicos de computador (realizando operações matemáticas).
• Op-amps normalmente têm impedâncias de entrada muito altas e impedâncias de saída razoavelmente baixas.
• Às vezes, os amplificadores operacionais são usados ​​como comparadores de sinal , operando em corte total ou modo de saturação dependendo de qual entrada (inversora ou não inversora) tem a maior tensão. Os comparadores são úteis na detecção de condições de sinal “maior que” (comparando um com o outro).
• Um aplicativo comparador é chamado de modulador de largura de pulso , e é feito comparando um sinal CA de onda senoidal com uma tensão de referência CC. Conforme a tensão de referência DC é ajustada, a saída de onda quadrada do comparador muda seu ciclo de trabalho (tempos positivos versus negativos). Assim, a tensão de referência DC controla ou modula a largura de pulso da tensão de saída.

PLANILHA RELACIONADA:

• Planilha de amplificadores operacionais básicos