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IntroduçãoÉ muito difícil enumerar a totalidade das aplicações desse fantástico componente denominado Amplificador Operacional. De modo geral, podemos dizer que suas aplicações estão presentes nos sistemas eletrônicos de controle industrial, na instrumentação industrial, na instrumentação médica (eletromedicina ou bioeletrônica), nos equipamentos de telecomunicações, nos equipamentos de áudio, nos sistema de aquisição de dados, etc.Apresentamos um conteúdo básico para o conhecimento e utilização de Amplificadores Operacionais.– Conceitos Fundamentais– DefiniçãoO Amplificador Operacional (AOP) é um amplificador multiestágio com entrada diferencial cujas características se aproximam das de um amplificador ideal.As características ideais de um AOP são:Impedância de entrada infinita;Impedância de saída nula;Ganho de tensão infinito;Resposta de frequência infinita;Insensibilidade à temperatura.– SimbologiaV– – entrada inversora;V+ – entrada não-inversora;Vo – saída.– Descrição Básica de um AOPO AOP possui duas entradas e uma saída, que possui um valor múltiplo da diferença entre as duas entradas. O fator A é o ganho de tensão do Amplificador Operacional, ou seja, a relação entre a tensão de entrada diferencial e a de saída do dispositivo:Vo A.V  V – Modo de funcionamento básico Consideremos o circuito abaixo:Supondo que o ganho A seja de 100.000, obtemos a tensão de saída Vo:Vo  100000.(4,75.10 3  4,8.10 3 )Vo  5VPor definição sempre o fator A será positivo e sempre que V1 – V2 for menor que zero a tensão de saída será negativa ou vice versa.– Conceito de Amplificador DiferencialNa figura abaixo, temos o circuito de um amplificador diferencial elementar:Supondo idealmente o circuito simétrico, os transistores Q1 e Q2 idênticos, podemos observar que a tensão de saída Vo será diretamente proporcional à diferença entre as tensões de entrada V1 e V2, o que faz com que a tensão de saída seja zero quando V1=V2.– Tensão de OffsetIdealmente, a tensão de saída do amplificador diferencial da figura anterior deveria ser nula quando V1=V2=0. Todavia, devido às diferenças existentes nas características de Q1 e Q2, tem-se um desbalanceamento das correntes no circuito e, consequentemente:VBE1 ≠ VBE2A diferença, em módulo, entre esses valores de VBE é denominada “Tensão de Offset de Entrada”, e será representada por Vi(offset):Vi (offset) VBE1VBE 2Essa tensão de offset de entrada age como um sinal diferencial aplicado nas entradas do AOP e produz uma tensão diferencial na saída (proporcional ao ganho A) do mesmo. Essa tensão de saída é denominada “Tensão de Offset de Saída” (ou tensão de erro de saída) e será representada por VO(offset).Em circuitos de alta precisão, é necessário minimizar ou eliminar essa tensão de erro na saída do dispositivo.No caso de um AOP, o cancelamento ou balanceamento dessa tensão de erro é obtido através de um divisor de tensão conectado ao estágio diferencial de entrada. Esse divisor de tensão irá permitir o balanceamento das correntes de base e de coletor, de tal forma que a diferença entre os valores de VBE1 e VBE2 se anule. Esse ajuste deve ser feito com as entradas inversora e não- inversora conectadas ao terra. Após o balanceamento, pode-se proceder a montagem do circuito desejado, tomando-se cuidado para não alterar o ajuste efetuado.Alguns AOP possuem os terminais próprios para o ajuste da tensão de offset de saída. Entretanto, existem outros que não possuem esses terminais e o usuário deverá montar um circuito externo convenientemente conectado às entradas do AOP para executar o ajuste. – Ganho de Tensão de um AmplificadorNa figura abaixo, temos o símbolo de um amplificador genérico:Sendo:Vi – sinal de entrada;Vo – sinal de saída;Av – ganho de tensão.Conceitua-se ganho de tensão, o fator pelo qual a tensão de entrada é multiplicada resultando a saída do dispositivo.Assim, podemos escrever:A importância da utilização do ganho de tensão em decibéis (dB) justifica-se quando são utilizados grandes valores para Av.– Características de um Amplificador OperacionalDiscutiremos sobre as características ideais que qualquer amplificador deveria ter. Os AOP reais tentam se aproximar dessas características ideais.– Impedância de Entrada e SaídaConsideremos o circuito abaixo representa o modelo de uma fonte alimentando um amplificador, e este, alimentando uma carga:Sendo:Vi – gerador;Ri – resistência interna do gerador;Zi – impedância de entrada do amplificador; Vo – gerador do sinal amplificado (A.VZi);Zo – impedância de saída do amplificador;RL – carga.Observando o modelo anterior, podemos determinar que a tensão de entrada no amplificador (VZi) é determinada por:Ou seja, quanto maior for o valor da impedância de entrada (Zi) do amplificador, maior será o percentual de tensão do gerador na entrada no amplificador, portanto podemos concluir que:Já em relação à impedância de saída (Zo), a partir da equação da malha de saída do amplificador, podemos concluir que:VRL VOiL .ZOPortanto, para se obter todo sinal de saída sobre a carga, é necessário que a impedância de saída do amplificador seja muito baixa, ou seja:Zo  0  VRL  VoObservação: Nos manuais de fabricantes são fornecidos os valores das resistências (impedâncias) de entrada e saída do AOP, as quais representaremos, respectivamente, por Ri e Ro.– Ganho de TensãoPara que a amplificação seja viável, inclusive para sinais de baixa amplitude, como sensores, é necessário que o amplificador possua um alto ganho de tensão. Idealmente esse ganho seria infinito.Nos manuais dos fabricantes encontra-se o valor do ganho de tensão dos AOP, o qual representaremos por AV. Para o AOP 741 o valor típico de AV é de 200.000, porém existem AOP com AV da ordem de 107 ou mais.– Resposta de Frequência (BW)É necessário que um amplificador tenha uma largura de faixa muito ampla, de modo que um sinal de qualquer frequência possa ser amplificado sem sofrer corte ou atenuação. Idealmente BW deveria se estender desde zero a infinitos hertz.Nos manuais dos fabricantes encontra-se o valor de largura de faixa máxima do AOP, geralmente de maneira gráfica, a qual representamos genericamente por BW (bandwidth).– Sensibilidade à Temperatura (DRIFT)As variações térmicas podem provocar alterações acentuadas nas características elétricas de um amplificador. A esse fenômeno chamamos DRIFT. Seria ideal que um AOP não apresentasse sensibilidade às variações de temperatura.Nos manuais de fabricantes encontram-se os valores das variações de corrente e tensão no AOP, provocadas pelo aumento de temperatura. A variação da corrente é representada por ∆I/∆T e seu valor é fornecido em nA/ºC. A variação da tensão é representada por ∆V/∆T e seu valor é fornecido em µV/ºC.– Modos de Operação– Sem RealimentaçãoEste modo é também denominado operação em malha aberta e o ganho do AOP é estipulado pelo próprio fabricante, ou seja, não se tem controle sobre o mesmo. Esse tipo de operação é muito útil quando se utiliza circuitos comparadores. Na figura abaixo temos um AOP em malha aberta. – Realimentação PositivaEsse tipo de operação é denominada operação em malha fechada. Apresenta como inconveniente o fato de conduzir o circuito à instabilidade. Uma aplicação prática da realimentação positiva está nos circuitos oscilados. A figura abaixo mostra um AOP submetido à realimentação positiva:– Realimentação NegativaEsse modo de operação é o mais importante em circuitos com AOP, também é um modo de operação em malha fechada, porém com resposta linear e ganho controlado. Na figura abaixo temos um AOP operando com realimentação negativa.– Alimentação do AOPOs AOP são comumente representados pela simbologia abaixo, onde são representados seus terminais de alimentação, denominados +V e –V:Esses valores representam o máximo de tensão (positiva ou negativa) que o dispositivo poderá fornecer.– Comparadores de TensãoSão circuitos que utilizam AOP em malha aberta, sem realimentação, ou seja, com AV  ∞.O valor de Vo é determinado apenas pela alimentação do dispositivo.Circuitos comparadores farão a comparação entre dois sinais distintos ou entre um sinal distinto e um de referência (VR). Se a diferença entre os sinais foi positiva (V+ - V- > 0), o dispositivo ficará saturado (devido à relação AV  ∞) e forçará uma saída Vo  +V, caso ocorra o inverso, devida a mesma saturação (em sentido inverso), a saída será Vo  -V, onde ±V são os valores da alimentação do AOP.Observação: Em alguns AOP, quando saturados, não enviam seus sinais ±V para a saída, e sim valores menores que +V e maiores que –V, devida a utilização de parte dessa tensão de alimentação para o funcionamento interno do dispositivo. Portanto podemos entender +V e –V como os limites máximos de tensão na saída do AOP.– Comparador Não-Inversor com VR NulaA partir do circuito podemos concluir que:seVinVin 0  Vout 0  Vout V VCom essa conclusão, podemos construir um gráfico da função de transferência do circuito:– Comparador Inversor com VR NulaA partir do circuito podemos concluir que:seVinVin 0  Vout 0  Vout V VCom essa conclusão, podemos construir um gráfico da função de transferência do circuito:– Comparador Não-Inversor com VR > 0A partir do circuito podemos concluir que:seVinVin VR VR Vout Vout V VCom essa conclusão, podemos construir um gráfico da função de transferência do circuito:– Comparador Inversor com VR > 0A partir do circuito podemos concluir que:seVinVin VR VR Vout Vout V VCom essa conclusão, podemos construir um gráfico da função de transferência do circuito:– Circuitos Básicos com AOPVamos estudar alguns circuitos que utilizam AOP e suas principais características, além de algumas considerações práticas para o uso do AOP.– Amplificador InversorO amplificador de ganho constante mais amplamente utilizado é o amplificador inversor, mostrado abaixo. A saída é obtida pela multiplicação da entrada por um ganho (fator A) constante, fixado pelo resistor de entrada R1 e o resistor de realimentação Rf. Essa saída também é invertida em relação à entrada.1iROfRV V1iROfRV V– Amplificador Não-InversorA figura abaixo mostra um circuito com AOP que trabalha como um amplificador não- inversor ou multiplicador de ganho constante. Observe que a conexão do amplificador inversor é mais utilizada por ser mais estável entre as duas.iV1 RfROV1 iV1 RfROV1 – Seguidor UnitárioO seguidor unitário, mostrado abaixo, fornece um ganho unitário (1) sem inversão de polaridade ou fase. Portanto a saída possui mesma amplitude, polaridade e fase da entrada.O circuito atua como isolador (buffer) de estágios, reforçador de correntes e casador de impedâncias.VO  ViVO  ViEm alguns casos, um seguidor de tensão pode receber um sinal através de uma resistência em série, colocada no terminal não-inversor (RS). Nesse caso, para que se tenha um balanceamento do ganho, é usual a colocação de um outro resistor de mesmo valor na malha de realimentação. Na figura abaixo devemos ter RS=Rf para AV=1.Uma aplicação prática do que foi dito é a utilização do buffer no casamento de impedância de saída de um gerador de sinal com um amplificador de baixa impedância de entrada, conforme ilustrado a seguir:– Amplificador SomadorO circuito abaixo mostra um circuito amplificador somador de n entradas que fornece um meio de somar algebricamente (adicionando) n tensões, cada uma multiplicada por um fator de ganho constante. Em outras palavras, cada entrada adiciona uma tensão à saída, multiplicada pelo seu correspondente fator de ganho.A saída VO é determinada por:nR3n V3fRV  ... fRR22R1fV V1iRfRRV iRfRi1 OnV nR3n V3fRV  ... fRR22R1fV V1iRfRRV iRfRi1 OnV – Amplificador Somador Não-InversorA figura abaixo nos apresenta a configuração de um somador especial, no qual a tensão de saída não sofre inversão:– Amplificador Diferencial ou Subtrator121V  V RO2RV121V  V RO2RVEste circuito permite que se obtenha na saída uma tensão igual à diferença entre os sinais aplicados, multiplicada por um ganho.– Ajuste de Offset (Considerações Práticas)Já citamos que o AOP apresenta uma tensão de offset de saída mesmo quando as entradas estão aterradas. Para cancelar essa tensão podemos utilizar de dois métodos: Ajuste pelos terminais do AOP ou por circuitos resistivos externos.– Terminais EspecíficosOs fabricantes de AOP costumam fornecer dois terminais dedicados no AOP, aos quais se conecta um potenciômetro. O cursor do potenciômetro é levado a um dos pinos de alimentação para prover o ajuste ou cancelamento dessa tensão. O cancelamento dessa tensão se dá pelo fato de os pinos citados estarem conectados ao estágio diferencial de entrada do AOP, permitindo, assim, o balanceamento das correntes de coletor dos transistores.Esse balanceamento permitirá o cancelamento da pequena diferença de tensão existente entre os valores de VBE dos transistores citados.Em experiências práticas veremos como fazer esse ajuste.– Resistor de Equalização (Balanceamento Externo)Quando o AOP não possui os terminais para o ajuste de offset, o mesmo deverá ser feito através de circuitos resistivos externos. A figura abaixo exemplifica o ajuste de offset por circuito resistivo externo em um AOP 307 em uma configuração inversora:Percebe-se que a utilização de AOP sem terminais específicos para o ajuste de offset resulta numa grande perda de tempo e, dependendo do AOP e da precisão dos resistores que deverão ser utilizados, costuma sair mais caro do que a utilização de um AOP provido desses terminais específicos.Porém, em qualquer caso, a tensão de offset poderá ser reduzida (mas não anulada), de forma bem mais simples e prática, colocando-se um resistor de equalização no terminal não- inversor. Esse procedimento é aconselhado pelos próprios fabricantes.O resistor de equalização (Re) nas figuras abaixo para cada um dos casos:– Amplificador de CA com AOPExistem ocasiões nas quais se torna necessário bloquear a componente CC de um sinal e amplificar apenas a sua componente CA. Esses amplificadores de CA são obtidos a partir das configurações já mencionadas anteriormente, com a inclusão de capacitores de acoplamento.Para se obter uma amplificador CA inversor basta acrescentar os capacitores C1 e C2, respectivamente, na entrada de um inversor, conforme ilustra a figura abaixo:É conveniente projetar o circuito anterior de tal modo que os capacitores não apresentem reatâncias muito elevadas. Assim sendo, costuma-se adotar como regra prática um valor de R1 aproximadamente 10 vezes maior do que XC1, assim como o valor da carga conectada ao circuito deve ser aproximadamente 10 vezes maior do que XC2. Logo:1102fC1R 1102fC1R 2102fCLR2102fCLRPara a configuração não-inversora, deve-se utilizar um resistor R2 em paralelo com a entrada não-inversora a fim de garantir a polarização dessa entrada e fazer com que o circuito funcione. Esse circuito apresenta Zi não tão alta e costuma-se adotar R2 na faixa de 10kΩ a 100kΩ.Evidentemente, o seguidor de tensão (buffer) para CA pode ser obtido do circuito anterior, fazendo R1=> ∞ (aberto) e Rf = 0 (curto).- Proteção em Circuitos com AOPAbordaremos agora algumas técnicas de proteções para circuitos com AOP que permitem ao projetista aumentar a confiabilidade e a segurança de um sistema no qual esses circuitos se acham inseridos.Sabemos que qualquer componente eletrônico possui especificações máximas para suas diversas características elétricas, tais como tensão, corrente, potência, etc. Se por algum motivo alguma dessas características for ultrapassada, o dispositivo poderá sofrer danos irreparáveis.– Proteção das Entradas de SinalO estágio diferencial de um AOP poderá ser danificado, caso a máxima tensão diferencial de entrada do mesmo seja excedida. Para o AOP 741 essa tensão é da ordem de ±30V. Por definição, a tensão diferencial de entrada é medida a partir da entrada não-inversora para a entrada inversora do AOP.A maneira mais comum de se proteger as entradas de um AOP consiste na utilização de dois diodos em antiparalelos conectados entre os terminais das entradas de sinal do AOP. Os diodos utilizados devem ser diodos retificadores do tipo 1N4001 ou equivalente. Costuma-se colocar resistores nas entradas para evitar uma provável queima dos diodos e garantir, assim, melhor proteção para o AOP.Já podemos concluir que essa proteção impede que a tensão diferencial de entrada ultrapasse 700mV.– Proteção de SaídaAtualmente a maioria dos AOP possui proteção interna contra curto-circuito na saída. O AOP 741, por exemplo, apresenta essa proteção. Se consultarmos a folha de dados do fabricante do AOP 741, encontraremos para a corrente de curto-circuito de saída um valor de 25mA. O fabricante garante que a duração do curto-circuito de saída pode ser ilimitada ou indeterminada, desde que a capacidade de dissipação térmica do componente não seja excedida. O AOP 709 não possui proteção interna contra curto-circuito na saída e, portanto, o fabricante recomenda a colocação de um resistor externo para essa finalidade.– Proteção nas Entradas de AlimentaçãoEssa é uma das mais importantes técnicas de proteção de AOP, pois se a polaridade das tensões de alimentação do AOP forem invertidas, quase todos os componentes internos serão polarizados incorretamente, o que danificaria irreversivelmente o componente.A figura abaixo mostra a forma correta de proteger um AOP contra uma provável inversão de polaridade da fonte de alimentação:– Proteção contra RuídosA presença de fontes geradores de ruídos ou interferências, próximas aos circuitos com AOP, pode alterar o nível de tensão CC de alimentação do integrado, a qual deve ser estabilizada e de baixíssimo ripple.Essa alteração pode prejudicar a resposta do circuito e, dependendo da aplicação e dos níveis dos sinais processados, poderá provocar erros grosseiros e perigosos ao sistema.Para proteger o AOP contra ruídos e oscilações da fonte de alimentação, costuma-se colocar um capacitor da ordem de 0,1µF entre o terra e cada um dos terminais de alimentação do AOP. Os capacitores atuam como capacitores de passagem para as correntes parasitas, normalmente de alta frequência, produzidas ao longo dos condutores entre a fonte de alimentação e o circuito.32321717||282899