Amplificador operacional
Um amplificador operacional ou amp op é um amplificador com ganho muito elevado, tendo dois terminais de entrada: um designado por terminal inversor(-) e o outro identificado por terminal não inversor(+). A tensão de saída é a diferença entre as entradas (+) e (-), multiplicado pelo ganho em malha aberta:
O amplificador operacional recebeu este nome porque foi projectado inicialmente para realizar operações matemáticas utilizando a tensão como uma analogia de uma outra quantidade. Esta é a base dos computadores analógicos onde os amp ops eram utilizados para realizar as operações matemáticas básicas (adição, subtração, integração, diferenciação, e outras). Neste sentido, um verdadeiro amplificador operacional é um elemento do circuito ideal. Os amplificadores reais utilizados, feitos de transístores, válvulas, ou outros componentes amplificadores, são aproximações deste modelo ideal. Os amp ops foram desenvolvidos na era das válvulas termoiônicas, onde eles eram usados em computadores analógicos. Os amp op modernos são normalmente construídos em circuitos integrados, apesar de ocasionalmente serem feitos com transistores discretos, e geralmente possuem parâmetros uniformes com encapsulamentos e necessidades de alimentação padronizados, possuindo muitos usos na eletrônica.
Os amplificadores operacionais modernos
A maioria dos amplificadores de propósito geral são vendidos a menos de um euro cada. Os projetos modernos são feitos considerando uma série de irregularidades de modo que muitos amp ops produzidos podem aguentar curto-circuitos nas suas saídas sem nenhum dano. Uma das chaves para a usabilidade destes circuitos está no princípio da engenharia de realimentação, particularmente a realimentação negativa, que constituiu a fundação de praticamente todos os controle de processos automáticos. Os princípios mostrados aqui ilustram parte do foco da eletrônica. É importante perceber que o amp-ops padrão usado nos circuitos é mostrado com o idealismo da caixa negra (uma caixa com apenas entradas e saídas). Os amp-ops reais são circuitos integrados complexos.
O amplificador operacional ideal tem um ganho infinito em malha aberta, largura de banda infinita, impedância de entrada infinita, impedância de saída nula e nenhum ruído, assim como offset de entrada é zero (exatamente 0 V na saída quando as duas entradas forem exatamente iguais) e nenhuma interferência térmica. Os circuitos integrados de amp ops utilizando MOSFETs são os que mais se aproximam destes valores ideais em limites de largura de banda. O amplificador operacional é provavelmente o dispositivo único mais bem sucedido na área de circuitos eletrônicos analógicos. Com apenas alguns poucos componentes externos, ele pode ser ajustado de modo a fazer uma grande variedade de funções em processamento de sinal. Também possui um preço relativamente baixo.
Um símbolo elétrico para o amplificador operacional é mostrado abaixo: Os pinos de alimentação (VS+ e VS−) podem ser nomeados de diferentes formas. Ver pinos de alimentação dos CIs. Para amp ops baseados em tecnologia FET, o positivo, ou alimentação de dreno comum é chamada do VDD e o negativo, ou alimentação de fonte comum é chamado de VSS. Para amp ops baseados em TJB (BJT), o pino VS+ torna-se VCC e o pino VS− torna-se VEE. Eles são muitas vezes chamados VCC+ e VCC−, ou mesmo V+ e V−, no caso de as entradas serem nomeadas diferentemente, a função permanecerá a mesma. Muitas vezes estes pinos são retirados dos esquemas elétricos para uma maior clareza, e a configuração de alimentação é dada ou previsível através do circuito. A posição dos pinos de polaridade pode ser invertida em diagramas para uma maior clareza. Neste caso, os pinos de alimentação continuaram na mesma posição: o pino de alimentação mais positivo é sempre no topo, e o pino de alimentação mais negativo na parte inferior. O símbolo inteiro não é invertido, apenas as suas entradas de alimentação.
A possibilidade de usar os modelos em blocos dos amplificadores operacionais durante o projeto de circuitos faz com que circuitos complicados se tornem mais simples para se trabalhar e compreender, especialmente em esquemas muito grandes. Os amp ops podem ser usados como se tivessem propriedades idealizadas (ganho infinito, dissipação de calor perfeita, resposta de frequência estável, impedância de entrada infinita, impedância de saída nula, e outras respostas ideais). Após o projeto inicial do circuito ter sido concluído (e muitas vezes modelado em computador), amp ops específicos são escolhidos de modo a serem o mais próximo possível dos critérios de projeto e de custo. Pode ocorrer que um amp op com todos os parâmetros desejados não possa ser encontrado e então procura-se o amplificador operacional que mais se aproxime da sua função pretendida no seu sub-circuito. O circuito projetado provavelmente precisará de modificações para aceitar as qualidades dos amplificadores operacionais reais (performance menos-que-perfeita em muitas áreas). O mesmo é feito para praticamente todas as partes eletrônicas durante do desenvolvimento do projeto (onde estas também são utilizadas como perfeitas), isto deve ser feito de modo a fazer com que os componentes reais ajam o mais próximo possível dos ideais. Este processo de desenvolver os circuitos com partes ideais e então ajusta-las de acordo com suas versões reais é comumente verdadeiro em todos os componentes eletrónicos incluindo capacitores, indutores, resistências, transistores, diodos, etc.
Comportamento em Corrente Contínua
O ganho em malha aberta é definido como a amplificação da entrada para a saída sem nenhuma realimentação (feedback) aplicada. Para a maioria dos cálculos práticos, o ganho em malha aberta é definido como infinito; na realidade, entretanto, ele é limitado pela quantidade de tensão aplicada à alimentação do amplificador operacional, (terminais Vs+ e Vs- no diagrama acima). Os dispositivos típicos possuem um ganho de malha aberta em Corrente Contínua entre 100,000 e 1 milhão. Isto permite que o ganho da aplicação seja ajustado utilizando a realimentação negativa. Os amp ops possuem limites de performance que o projetista deve manter em mente e muitas vezes trabalhar em torno disto.
Comportamento em Corrente Alternada
O ganho do amp op calculado em CC não se aplica a corrente alternada a frequências mais altas. Isto ocorre devido às limitações do componente, tais como sua largura de banda finita, e às características em CA do circuito ao qual é colocado. O problema melhor conhecido no desenvolvimento de projetos com amp ops é a tendência de estes ressonarem a altas frequências, em que mudanças na realimentação negativa mudam para realimentação positiva devido à mudança de fase. Os amp ops típicos, de baixo custo possuem uma largura de banda de alguns MHz. Amp ops específicos e de alta velocidade podem atingir uma largura de banda de centenas de MHz. Para circuitos de frêquência muito alta, um tipo completamente diferente de amp op, chamado amplificador operacional de realimentação de corrente é frequentemente usado.
O amplificador operacional genérico possui duas entradas e uma saída. A tensão de saída é um múltiplo da diferença entre as duas entradas (alguns são feitos com saídas diferenciais flutuantes): G é o ganho em malha aberta do amp op. Assumimos que as entradas possuem impedância muito alta; uma corrente desprezável irá fluir para dentro e para fora das entradas. As saídas do amp op possuem uma impedância muito baixa. Se a saída é conectada à entrada inversora, após passar por um divisor de tensão, então: Definindo o ganho de realimentação de malha fechada como V o u t V i n {\displaystyle {\frac {V_{out}}{V_{in}}}} vemos que o resultado é um amplificador linear com ganho: Se G {\displaystyle G} é muito grande (em geral está na ordem de grandeza de 100.000), V o u t V i n {\displaystyle {\frac {V_{out}}{V_{in}}}} se aproxima de ( 1 + R 2 R 1 ) {\displaystyle \left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)} .
Apesar de a maioria dos circuitos com amplificadores operacionais se basearem nas "regras douradas" descritas acima, os projetistas também devem estar atentos ao fato de nenhum amp op real poder atingir estas carecterísticas exatamente. Abaixo são listadas algumas da limitações dos amp ops reais, assim como o modo como estas afetam o projeto dos circuitos.
Apesar de ser fácil e prático utilizar os amplificadores operacionais como blocos com características de entrada/saída perfeitas, é importante conhecer as funções internas, de modo a poder lidar com problemas que podem surgir devido a limitações de projeto internas. O circuito varia entre os produtores e fabricantes, porém todos os amp ops possuem basicamente a mesma estrutura interna, que consiste de três estágios:
Fontes de corrente
As seções tracejadas em vermelho são as fontes de corrente. A corrente primaria, da qual as outras correntes estáticas são geradas, é determinada pela alimentação do chip e pelo resistor de 39 kΩ atuando (em conjunto com as duas junções de diodo dos transistores) como uma fonte de corrente. A corrente gerada é de aproximadamente (VS+ − VS− − 2Vbe) / 39 kΩ. As condições em CC do estágio de entrada são controladas pelas duas fontes de corrente à esquerda. A fonte formada por Q8/Q9 permite tensões de modo-comum maiores nas entradas sem exceder a faixa ativa de nenhum transistor no circuito. A fonte de corrente formada por Q10/Q11 é usada, indiretamente, para determinar a corrente no estágio de entrada. A corrente é determinada pelo resistor de 5 kΩ. A controle do estágio de entrada ocorre da seguinte maneira:
Estágio de entrada diferencial
A seção trecejada em azul é o amplificador diferencial. Q1 e Q2 são seguidores de emissor e junto com o par base comum composto por Q3 e Q4, formam o estágio de entrada diferencial. Além disso, Q3 e Q4 funcionam também como registradores de nível e provêem ganho de tensão para alimentar o amplificador classe A. Eles também ajudam a aumentar a taxa de Vbe reverso nos transistores de entrada. O amplificador diferencial formado por Q1 - Q4 comanda uma fonte de corrente de carga ativa formadas pelos transistores Q5 - Q7. Q7 aumenta a precisão da fonte de corrente pela redução da quantia de corrente de sinal necessária para Q3 controlar as bases de Q5 e Q6. Esta fonte de corrente provê a conversão de estágio diferencial para saída única, como segue:
Estágio de ganho classe A
A área tracejada em rosa é o estágio de ganho classe A. Ele consiste de dois transistores NPN em uma configuração Darlington e utilizam a saída de fonte de corrente como a sua carga de coletor para obter um alto ganho. O capacitor de 30 pF provê uma realimentação negativa variavel com a frequência no estágio de ganho classe A para estabilizar o amplificador em configurações de realimentação. Está técnica é chamada de compensação Miller e funciona de uma maneira similar ao circuito integrador com amp op. Esta é também conhecida como compensação de pólo dominante, porque introduz um pólo dominante (que mascara os efeitos dos outros pólos) na resposta de frequência em malha aberta. Esto pólo pode ser baixo como 10 Hz em um amplificador 741 e introduz uma perda de −3 dB na resposta em malha aberta a esta frequência. Isto é feito para conseguir estabilidade incondicional no amplificado até o ganho unitário de malha fechada e torna esta tipo de amplificador mais fácil de se utilizar.
Estágio anterior da saída
A seção tracejada em verde (baseada ao redor de Q16) é um chaveador de nível de tensão ou um multiplicador de VBE; uma espécie de fonte de tensão. No circuito mostrado, Q16 provê uma constante queda de tensão entre seu coletor e emissor independente da corrente que passe pelo circuito. Se a corrente de base no transistor for tida como zero, e a tensão entre base e emissor (e através do resistor de 7.5 kΩ) for de 0.625 V (um valor típico em uma transistor bipolar na região ativa), então a corrente que flui através do resistor de 4.5 kΩ irá ser a mesma que a do resistor de 7.5 kΩ, e irá produzir uma tensão de 0.375 V através dela. Isto mantém a tensão no transisto, e nos dois resistores em 0.625 + 0.375 = 1 V. Isto serve para polarizar os dois transistores de saída levemente para prevenir a distorção por crossover. O problema da distorção de crossover pode ser resolvido utilizando-se dois diodos de silício (2 x 0.7 V) em substituição ao estágio tracejado em verde. Em amplificadores com componentes discretos, para se ter sucesso com esta técnica é necessário que os diodos e os transistores de saída estejam em contato térmico.
Estágio da saída
O estágio de saída (tracejado em ciano) é um amplificado seguidor de emissor Classe AB push-pull (Q14, Q20) com a entrada definida pela fonte de tensão VBE de Q16 e seus resistores de base. Este estágio e efetivamente controlado pelos coletores de Q13 e Q19. A faixa de saída do amplificador é de cerca de 1 volt a menos do que a tensão de alimentação, definido em parte pelo Vce(sat) dos transistores de saída. O resistor de 25 ohms no estágio de saída atua com um sensor de corrente para prover a função de limite de corrente de saíra que limida o fluxo de corrente no seguidor de emissor Q14 para cerca de 25 mA no caso do 741. A limitação de corrente para a saída negativa é feita sentindo-se a tensão no resistor do emissor do Q19 e utilizando isto para reduzir a carga na base de Q15. Versões posteriores deste esquema de amplificador podem mostrar um método levemente diferende de limitar a corrente de saída. As resistência de saída não é zero como seria em um amp op ideal, porem com a realimentação negativa ela se aproxima a zero.
