Introdução aos amplificadores operacionais: 7 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Neste Instrutível, darei uma introdução ao Amplificador Operacional, um dos dispositivos analógicos mais úteis. Este dispositivo pode ser configurado como um amplificador não inversor ou inversor, um comparador, amplificador de tensão, amplificador somador, amplificador de instrumentação, buffer, filtro ativo, oscilador ponte de Wien e muitas outras aplicações. O opamp vem em diferentes configurações, como o único LM741 8 pinos DIP ou o LM324 quádruplo op amp de 14 pinos mostrado acima. Existem também tipos que vêm em variantes de montagem em superfície.

Etapa 1: O que é um amplificador operacional?

O amplificador operacional, também conhecido como amplificador operacional, é um amplificador de tensão de alto ganho acoplado a CC, incorporado em um chip IC. Eles têm duas entradas (entrada diferencial) e uma saída. Eles têm sido usados como blocos de construção na eletrônica analógica desde que os primeiros dispositivos foram lançados no final dos anos 1960. Uma das belezas desses dispositivos é que eles simplificaram muito o design eletrônico pela natureza de sua padronização. O projeto de amplificadores com componentes discretos envolveu muitos ajustes por causa das diferenças entre os dispositivos ativos. Se os amplificadores forem todos construídos com a mesma matriz de silício, eles podem ser feitos da mesma forma e ter as mesmas características. Ao projetar com amplificadores operacionais, um ganho específico para o dispositivo pode ser obtido instalando dois resistores externos com uma relação de resistência específica. Por exemplo, se um ganho de tensão de 100 for desejado, um resistor de 100k e um resistor de 1k podem ser colocados no circuito para obter uma relação de 100. Usando essa estratégia, o ganho é sempre o mesmo. O amplificador operacional mais popular de todos os tempos é o 741, que existe desde o início dos anos 70 e tem sido usado por gerações de amadores em tudo, desde amplificadores de áudio a fontes de alimentação. O 741 não é usado pela indústria há muitos anos porque os amplificadores operacionais melhores foram desenvolvidos, mas eles ainda têm seguidores entre os amadores e são fáceis de obter. Os primeiros dispositivos saíram em um estilo de embalagem embutida dupla de 8 pinos ou uma lata de metal circular. Mais tarde, dispositivos de montagem em superfície tornaram-se disponíveis. O 741 e outros amplificadores operacionais de sua época usavam transistores bipolares com dispositivos que usavam entradas de transistor de efeito de campo que seriam lançadas posteriormente. As entradas de transistores de efeito de campo começaram a ser utilizadas devido à necessidade de maior impedância de entrada e menor dreno de corrente.

Etapa 2: O amplificador não inversor

O amplificador não inversor é o primeiro circuito que abordaremos. No diagrama acima, o amplificador operacional é conectado com a entrada indo para a entrada positiva e o resistor de feedback indo para a entrada negativa. A proporção de Rf para Rg determina o ganho. No caso do circuito acima, o ganho de tensão é 10. O diagrama no meio das limitações do "mundo real" do amp op 741 quando uma onda quadrada de 10 kHz é alimentada na entrada, mas sai como uma forma de onda triangular devido a a velocidade de comutação limitada do dispositivo. Quando a entrada é reduzida para uma onda quadrada de 1 kHz, a saída melhora e se parece mais com uma onda quadrada real. A medição da capacidade do amplificador operacional de acompanhar as mudanças de amplitude do sinal de entrada é chamada de "Taxa de variação" e é medida em volts por microssegundo. O 741 tem uma classificação muito moderada de 0,5 volts por microssegundo. Os amplificadores operacionais de alta velocidade têm classificações de até 5.000 volts por microssegundo, embora um típico como o TL081 tenha uma classificação média de 13 volts por microssegundo.

Etapa 3: O amplificador inversor

O opamp pode ser configurado de forma que uma forma de onda negativa de 1 volt possa ser invertida e amplificada para fornecer uma forma de onda positiva de 10 volt. Os usos para esta configuração podem ser em qualquer lugar em que uma mudança de fase seja necessária, como nos estágios do driver de amplificadores de transistor discretos.

Etapa 4: usando um amplificador operacional como um conversor de onda quadrada para onda senoidal

O circuito acima mudará uma onda quadrada de 1000 Hz para uma onda senoidal de 1000 Hz. Ele faz isso filtrando todos os componentes de frequência (harmônicos) acima e abaixo da fundamental, que é uma onda senoidal. Em vez de usar resistores no circuito de feedback, usamos componentes seletivos de frequência (capacitores) que fornecem feedback negativo para cancelar as frequências indesejadas. O diagrama do meio mostra o circuito real simulado e a forma de onda produzida. O terceiro diagrama mostra a resposta de freqüência do circuito. O nome técnico deste tipo de circuito é um filtro passa-banda ativo. Ele permite que apenas uma faixa muito estreita de frequências passe sem ser atenuada.

Etapa 5: usando um amplificador operacional como comparador

Existem chips dedicados que são melhores comparadores, mas às vezes você pode não ter um à mão, então é sempre útil saber como fazer um comparador de um opamp. Uma rápida revisão do que é um comparador, é basicamente um amplificador operacional configurado como um amplificador sem feedback, permitindo que o amplificador opere em seu ganho máximo. Quando uma entrada está ligada a uma voltagem específica, como os 3 volts mostrados no diagrama, o circuito dará uma saída que é quase a voltagem máxima do trilho quando as duas entradas estão na mesma voltagem. No caso do circuito acima, uma onda senoidal de 1 kHz fornece uma saída quando sobe acima de 3 volts e comuta novamente quando a onda senoidal desce abaixo de 3 volts. Comparadores são comumente usados em (ADCs) e osciladores de relaxamento.

Etapa 6: Construindo um Amplificador Somador com um Opamp

O amplificador somador acima recebe dois sinais de 1 kHz, um de 10 mV pico a pico e outro de 20 mV pico a pico. A saída resultante é de 60 mV pico a pico. Por ser um amplificador inversor, ele emite um sinal de fase oposta.

Os amplificadores somadores são usados em mixers de áudio onde diferentes entradas precisam ser adicionadas. Ao alimentar sinais em potenciômetros, os sinais podem ser variados para dar a saída desejada.

Etapa 7: Mixer de áudio de três entradas

Este circuito pode ser usado para mixar dois instrumentos e uma faixa de vocal, mais entradas podem ser adicionadas conforme necessário. Cada nível de entrada pode ser ajustado independentemente com os potenciômetros.