Amplificadores Operacionais (Opamp) são dispositivos integrados e encapsulados em vários
materiais (como plástico, cerâmica, etc...), e normalmente são compostos por dezenas
ou centenas (ou até mais) de transistores interligados de forma que consigam
reproduzir, do modo mais fiel possível, as características de seu projeto original.
Via de regra só temos acesso aos terminais externos do amplificador operacional.
Em geral consta de uma entrada inversora, uma entrada não-inversora,
uma saída e mais os terminais de alimentação, sendo um de polaridade positiva
e outro de polaridade negativa (em relação ao outro terminal de alimentação). Os
amplificadores operacionais mais utilizados na prática possuem 8 pinos externos,
sendo o LM 741 o exemplo mais comum e de menor custo. As duas letras indicam
o fabricante e o número identifica suas características.
Para fins de estudo estamos interessados somente nos terminais de entrada e saída.
Na Figura 41-01 podemos ver a simbologia utilizada para um amplificador operacional.
Aparecem os cinco pinos já descritos anteriormente e existem mais dois
(que não aparecem na figura) que são utilizados
para ajuste de off-set, característica esta que não será estudada aqui
pois foge ao escopo deste trabalho.
Figura 41-01
2. O Amplificador Operacional Ideal
Para os estudos, considerar o amplificador operacional como ideal é uma prática comum e bastante útil.
Um amplificador operacional ideal é caracterizado por ter ganho infinito, impedância de entrada infinita e
impedância de saída zero. Essas características simplificam muito a análise teórica dos circuitos,
pois eliminam muitas das complicações práticas. De fato, a tecnologia atual permite que os amplificadores
operacionais reais se aproximem bastante do comportamento ideal, tornando os resultados teóricos muito próximos dos práticos.
Isso facilita o aprendizado e a aplicação dos conceitos em situações reais.
As características que formam a base de um amplificador operacional ideal podem
ser resumidas em quatro leis fundamentais descritas abaixo:
O que essas leis significam?
A primeira diz que não há corrente fluindo pelos terminais de entrada. Isso significa que a
impedância de entrada de um amplificador operacional ideal é INFINITA.
A segunda diz que não há queda de tensão entre os terminais de entrada. Logo, podemos
assumir que a diferença de potencial entre a entrada inversora e a
não inversora é igual a ZERO.
Resumindo:
i1 = i2 = 0
Vi = V2 - V1 = 0 ⇒ V1 = V2
Fique atento para estas duas últimas equações, pois serão de grande utilidade
na resolução de problemas que envolvem amplificadores operacionais.
3. Modelo Elétrico de um Opamp Ideal
Um amplificador operacional, quando associado a circuitos passivos,
tais como resistor, capacitor e indutor, pode executar algumas operações matemáticas
como adição, subtração, multiplicação, divisão, diferenciação e integração.
Na Figura 41-02 abaixo, vemos a representação esquemática do modelo elétrico de um amplificador operacional
que satisfaz as leis vistas no item anterior.
Figura 41-02
Desta figura (acima) é possível escrever a equação que relaciona a tensão de entrada
com a tensão de saída. Assim, temos :
Vo = Av Vi
É de interesse que o amplificador operacional trabalhe numa
região linear, exceto em casos especiais. Para que isso aconteça devemos satisfazer
a desigualdade abaixo:
- V ≤ Vo ≤ + V
Na maioria dos circuitos, a tensão de alimentação V, varia entre
10 e 15 volts, enquanto o ganho de tensão Av é maior
que 100.000. Repare que, se na equação anterior dividirmos todos os
elementos por Av, e lembrando que:
Vi = V2 - V1 = Vo / Av
Então, fazendo essa substituição, encontramos:
(- V/ Av) ≤ (V2 - V1) ≤ (+ V/ Av)
Ora, como Av possui um valor muito grande, então V /Av → 0 e
podemos escrever que:
V1 ≅ V2
Em nossos estudos vamos assumir o amplificador operacional comportando-se como um
dispositivo ideal ( Av → ∞), então
pode-se escrever que:
V1 = V2
Deixaremos como exemplo de aplicação destas características o exercício da pag. 159
do livro [10] Fundamentos de Circuitos Elétricos - SADIKU, Matthew - 2013, onde mostramos
na Figura 41-03 abaixo o circuito e o enunciado.
Enunciado: considerando o amplificador operacional como
ideal, calcule o ganho de tensão a malha fechada K, a
corrente de saída io, bem como a
tensão de saída Vo e a corrente de saída io
quando Vs = 1 volt.
Figura 41-03
Repare que a corrente i1 = 0 implica que a corrente ir
que passa pelo resistor de 40 kΩ, também passa pelo resistor de
5 kΩ, caracterizando um circuito série. Então, podemos calcular
V1 por um simples divisor de tensão.
V1 = Vo ( 5 / (5 + 40)) = Vo / 9
Além do mais, do circuito podemos deduzir que:
Vs = V1 = V2
Fazendo a substituição adequada, podemos calcular o ganho de tensão a malha fechada (K)
do circuito.
K = Vo / Vs = 9
Vamos, agora, calcular o valor de io. Prestando atenção à saída
do amplificador operacional claramente vemos que existe uma relação de
correntes com io, ou seja:
io = ir + ix
Tendo conhecimento dessa relação, podemos relacionar io com
Vo, ou seja:
io = Vo/ (5+40) + Vo/ 20
Repare que a primeira parcela representa ir e a segunda parcela
representa ix. Aplicação direta do método tensão nodal.
Quando Vs = 1 volt temos que Vo = 9 x 1 = 9 volts, pois
K = 9 e portanto, fazendo as substituições numéricas na equação anterior,
encontramos a corrente de saída io, ou:
io = 0,2 + 0,45 = 0,65 mA
Assim, usando equações simples e um raciocínio adequado, conseguimos resolver o problema.
Note que o ganho de tensão do circuito a malha fechada (K), é totalmente independente do
ganho de malha aberta (Av) do amplificador operacional, e só depende dos elementos que
compõem o circuito de realimentação.
4. Buffer
"Buffer" ou, também conhecido como seguidor de tensão ou, casador (adaptador) de impedância,
caracteriza-se por ser um amplificador de tensão de ganho unitário. Sua impedância de entrada,
podemos considerar infinita (sem qualquer exagero) e sua impedância de saída, é praticamente nula,
o que permite isolar o sinal de entrada de qualquer carga conectada à saída.
Por esse motivo, o circuito buffer é amplamente utilizado quando queremos acoplar um circuito que possua
alta impedância de saída a um circuito que possua uma baixa impedância de entrada.
Dessa forma,
o buffer serve como um intermediário que protege a fonte do sinal de entrada das variações
de carga que podem ocorrer na saída. Então, a característica de
um buffer, é apresentar na saída uma "cópia fiel" da tensão de entrada. Como possui uma alta
impedância de entrada, não sobrecarrega o estágio anterior. E por apresentar uma impedância de saída muito baixa,
pode alimentar o estágio subsequente mesmo que este tenha uma baixa impedância de entrada.
Além disso, embora o ganho de tensão seja aproximadamente
unitário, o buffer pode fornecer um ganho de corrente considerável, resultando em um ganho de
potência para o circuito.
Essas características tornam o buffer uma ferramenta essencial em
muitas aplicações eletrônicas, desde a estabilização de sinais em circuitos de áudio até a
integração em sistemas de comunicação e processamento de sinais analógicos.
.
Veja na Figura 41-04 abaixo, a representação de um circuito buffer.
Figura 41-04
Repare que, o buffer é construído a partir de um amplificador não-inversor, fazendo
Rf = 0 e Ri = ∞. Dessa forma, o ganho é dado por
K = 1 + (Rf / Ri) = 1.
Devido à todas essas interessantes características do buffer, alguns livros também o chamam de Fonte de tensão controlada por tensão.
Qualquer tensão que for conectada à entrada será reproduzida fielmente na saída.
