Considerações Práticas para Amplificadores Operacionais

Amplificadores operacionais reais desviam do modelo ideal de várias maneiras: offset de entrada, rejeição de modo comum finita, correntes de polarização de entrada, deriva térmica e ganho e fase dependentes de frequência. Entender essas não-idealidades é essencial para projetar circuitos analógicos robustos. Embora muitos erros sejam insignificantes em aplicações simples, eles podem se tornar críticos em instrumentação de precisão, condicionamento de sinal ou sistemas de alta velocidade. Em alguns casos, o efeito pode ser compensado; em outros, um dispositivo de maior qualidade e custo mais alto pode ser necessário.

Ganho de Modo Comum

Em um amplificador diferencial ideal, a saída é estritamente uma função da diferença de tensão entre suas duas entradas. Quando as entradas são curto-circuitadas (tensão diferencial zero), qualquer tensão de modo comum aplicada, V_CM, não deve alterar a saída. O ganho de tensão de modo comum ideal é, portanto, zero.

Op-amps reais, no entanto, exibem um pequeno ganho de modo comum. A razão de rejeição de modo comum (CMRR) é definida como a razão entre ganho diferencial e ganho de modo comum:

Para o clássico 741, CMRR médio é de cerca de 70 dB, equivalente a uma razão de aproximadamente 3.000:1. Como o ganho diferencial é tipicamente ordens de magnitude maior, o impacto do ganho de modo comum é geralmente menor quando realimentação negativa é empregada. No entanto, em configurações tipo instrumentação, desbalanceamento de resistores pode introduzir ganho de modo comum significativo, como demonstrado abaixo.

Abaixo está uma simulação SPICE de um amplificador de instrumentação com as entradas curto-circuitadas e uma tensão de modo comum variável. No circuito perfeitamente balanceado, a saída permanece em zero volts em toda a varredura:

instrumentation amplifier
v1 1 0
rin1 1 0 9e12
rjump 1 4 1e-12
rin2 4 0 9e12
e1 3 0 1 2 999k
e2 6 0 4 5 999k
e3 9 0 8 7 999k
rload 9 0 10k
r1 2 3 10k
rgain 2 5 10k
r2 5 6 10k
r3 3 7 10k
r4 7 9 10k
r5 6 8 10k
r6 8 0 10k
.dc v1 0 10 1
.print dc v(9)
.end

v1 v(9)
0.000E+00 0.000E+00
1.000E+00 1.355E-16
2.000E+00 2.710E-16
3.000E+00 0.000E+00
4.000E+00 5.421E-16
5.000E+00 0.000E+00
6.000E+00 0.000E+00
7.000E+00 0.000E+00
8.000E+00 1.084E-15
9.000E+00 -1.084E-15
1.000E+01 0.000E+00

Introduzindo um pequeno desbalanceamento de resistor (ex.: elevando R₅ de 10 kΩ para 10,5 kΩ) produz um ganho de modo comum mensurável, como visto na seguinte varredura de saída:

v1 v(9)
0.000E+00 0.000E+00
1.000E+00 -2.439E-02
2.000E+00 -4.878E-02
3.000E+00 -7.317E-02
4.000E+00 -9.756E-02
5.000E+00 -1.220E-01
6.000E+00 -1.463E-01
7.000E+00 -1.707E-01
8.000E+00 -1.951E-01
9.000E+00 -2.195E-01
1.000E+01 -2.439E-01

Embora a diferencial de entrada permaneça zero, a saída agora varia em ~0,24 V em uma varredura de modo comum de 0–10 V, ilustrando como desbalanceamento de resistor pode gerar ganho de modo comum indesejável. O remédio é simples: assegurar casamento preciso de resistores e, se possível, incluir um potenciômetro de ajuste na rede de realimentação do op-amp final para anular o ganho residual de modo comum.

Tensão de Offset

Tensão de offset é a tensão que aparece na saída quando as duas entradas são curto-circuitadas. Idealmente seria zero; na prática, costuma ser alguns milivolts e pode levar a saída à saturação, especialmente em projetos de alimentação única. Offset é expresso como uma tensão de entrada equivalente que produziria a saída observada quando aplicada a um amplificador perfeitamente ideal:

Fabricantes fornecem pinos de nulidade de offset em muitos op-amps (ex.: pinos 1 e 5 no DIP de 8 pinos do 741). Conectando um pequeno potenciômetro entre esses pinos e a tensão de polarização de entrada, o usuário pode ajustar finamente o offset para próximo de zero. Nem todos os op-amps expõem pinos de nulidade de offset; consulte a folha de dados da peça específica.

Corrente de Polarização

Op-amps têm alta impedância de entrada, mas a corrente de polarização — geralmente alguns microamps — é necessária para operar o estágio de entrada interno. Em circuitos onde uma única entrada é conectada a uma fonte de alta impedância (ex.: termopar ou eletrodo de pH), a corrente de polarização pode criar uma queda de tensão através da resistência em série, levando a erros de medição.

Por exemplo, em uma configuração seguidor de tensão com resistor de fonte de 1 MΩ, uma corrente de polarização de 10 µA produz um erro de 10 mV. A técnica comum para mitigar isso é adicionar um resistor de valor igual à outra entrada, balanceando assim as quedas de tensão da corrente de polarização:

Em amplificadores inversores ou não-inversores, o resistor compensador é escolhido para igualar a combinação paralela dos dois resistores na rede de realimentação:

O aterramento adequado da fonte de alimentação também é crítico. Sem um terra comum, correntes de polarização não têm caminho para fluir, tornando o estágio de entrada do op-amp ineficaz. Sempre assegure que um terminal da alimentação esteja conectado à referência de terra do circuito.

Deriva

Variações de temperatura causam deriva na corrente de polarização, tensão de offset e outros parâmetros. A extensão da deriva varia com a tecnologia do dispositivo; op-amps com entrada JFET ou MOSFET geralmente exibem menor deriva que projetos bipolares. Selecionar uma peça de baixa deriva e, onde alta precisão é requerida, manter um ambiente de temperatura estável (ex.: com gabinete termostatizado) são as contramedidas mais eficazes.

Resposta em Frequência

O alto ganho diferencial torna op-amps propensos a oscilação por realimentação. Um simples seguidor de tensão construído com um 3130 pode oscilar a menos que um capacitor de compensação seja adicionado entre os dois pinos especiais de "compensação". Mesmo quando um capacitor é interno (como no 741), o ganho CA cai com a frequência, limitando a largura de banda utilizável.

Fabricantes publicam curvas de resposta em frequência (ganho vs. frequência). Projetistas devem consultá-las ao especificar a largura de banda em malha fechada para evitar degradação de desempenho ou instabilidade.

Deslocamento de Fase Entrada-Saída

Para ilustrar deslocamento de fase, medimos o OPA227 em configuração não-inversora com ganho 34× (~50 dB). O ganho em malha aberta intersecta a linha de malha fechada de 50 dB em cerca de 22 kHz, estabelecendo um polo dominante. Consequentemente, o deslocamento de fase em malha fechada é:

• ~0° a 2,2 kHz (uma década abaixo do polo)
• ~45° a 22 kHz (no polo)
• ~90° a 220 kHz (uma década acima do polo)

Capturas de osciloscópio confirmam essas previsões: sem deslocamento de fase a 2,2 kHz, ~45° a 22 kHz, e ~90° a 220 kHz.

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