Entendendo Realimentação Negativa em Op-amps: Seguidores de Tensão e Estabilidade

Quando a saída de um amplificador operacional é roteada de volta para sua entrada inversora enquanto um sinal é aplicado à entrada não inversora, o dispositivo opera em um modo auto-corretivo. Nesta configuração, a saída do op-amp rastreia a tensão de entrada quase exatamente, graças à realimentação negativa.

À medida que a tensão de entrada, V_in, sobe, a saída sobe proporcionalmente. No entanto, como parte da saída é realimentada à entrada inversora, a diferença entre as duas entradas é continuamente reduzida. O resultado é que a saída se estabiliza em uma tensão que mantém a diferença diferencial quase zero, um estado de equilíbrio que garante operação linear em vez de saturação.

Com um ganho em malha aberta muito alto, a tensão na entrada inversora é virtualmente idêntica a V_in. A relação pode ser expressa como:

$$V_{out} = G\cdot (V_{in} - V_{out})$$

Reorganizando obtemos:

$$V_{out} = \frac{V_{in}}{1 + \frac{1}{G}}$$

Por exemplo, um op-amp com ganho diferencial de 200.000 acionado por uma entrada de 6 V produz:

$$V_{out} = \frac{6}{1 + \frac{1}{200.000}} = 5,999700015\;\text{V}$$

Apenas 29,99985 µV de tensão diferencial são necessários para sustentar essa saída, então, para fins práticos, as duas tensões de entrada são iguais. O sistema, portanto, mantém um estado estável onde a saída acompanha de perto a entrada.

Vantagens da Realimentação Negativa

A realimentação negativa torna o ganho exato em malha aberta do amplificador irrelevante. Se o ganho for 200.000 ou 250.000, a saída permanecerá virtualmente idêntica à entrada. Essa propriedade auto-corretiva permite que projetistas construam circuitos com desempenho previsível e linear sem precisar combinar precisamente o ganho definido de fábrica.

Como o Op-amp Opera como Seguidor de Tensão

Dentro do op-amp, um "detetor de nulo" interno monitora a tensão diferencial. Um potenciômetro interno altamente sensível ajusta a saída para que o detetor leia zero volts. O resultado é um seguidor de tensão (ou buffer) que entrega a tensão de entrada inalterada em sua saída, com ganho 1.

Como a saída é alimentada pelos trilhos de alimentação, o seguidor pode fornecer corrente à carga sem drenar o sinal de entrada. Seguidores de tensão típicos fornecem alta impedância de entrada, baixa impedância de saída e ganho de corrente significativo, tornando-os ideais para casamento de impedância e buffer de sinal.

Note que muitos op-amps clássicos, como o 741, não conseguem oscilar até os trilhos de alimentação exatos. Com uma alimentação ±15 V, a saída de um 741 tipicamente atinge no máximo +14 V e no mínimo –13 V devido ao seu estágio de saída bipolar. Dispositivos modernos rail-to-rail, como o 3130, podem se aproximar dos trilhos de alimentação dentro de milivolts.

Revisão

• Conectar a saída de um op-amp à sua entrada inversora implementa realimentação negativa, uma estratégia universal de controle para alcançar equilíbrio.
• Quando a saída é realimentada diretamente à entrada inversora, forma-se um seguidor de tensão, reproduzindo a tensão da entrada não inversora na saída.
• Realimentação negativa força a tensão diferencial a ser praticamente zero; ganho em malha aberta mais alto torna o zero ainda mais apertado.
• Alguns op-amps exibem oscilação de saída limitada, caracterizada por tensões de saturação positiva e negativa.

Planilha Relacionada

• Planilha de Circuitos Op-Amp com Realimentação Negativa