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Op-amperes ideais
Esta seção usa um sistemas abordagem para apresentar os fundamentos dos Amplificadores Operacionais Ideais. Como tal, consideramos o op-amp como um bloco com terminais de entrada e saída. Atualmente, não estamos preocupados com os dispositivos eletrônicos individuais no op-amp.
Um op-amp é um amplificador que é frequentemente alimentado por tensões de alimentação positivas e negativas. Isso permite que a tensão de saída balance o potencial acima e abaixo do solo. O op-amp encontra ampla aplicação em muitos sistemas eletrônicos lineares.
O nome amplificador operacional é derivado de um dos usos originais dos circuitos de op-amp; para executar matemática operações em computadores analógicos. Esta aplicação tradicional é discutida mais adiante neste capítulo. Os primeiros amplificadores operacionais utilizavam uma única entrada inversora. Uma mudança de tensão positiva na entrada causou uma alteração negativa na saída.
Assim, para entender o funcionamento do op-amp, é necessário primeiro familiarizar-se com o conceito de fontes controladas (dependentes), uma vez que elas formam a base do modelo de amp-op.
Fontes dependentes 1.1
Fontes dependentes (ou controladas) produzem uma voltagem ou corrente cujo valor é determinado por uma voltagem ou corrente existente em outro local no circuito. Em contraste, os dispositivos passivos produzem uma voltagem ou corrente cujo valor é determinado por uma voltagem ou corrente existente no mesmo local no circuito. Ambas as fontes de tensão e corrente independentes e dependentes são elementos ativos. Ou seja, eles são capazes de fornecer energia para algum dispositivo externo. Elementos passivos não são capazes de gerar energia, embora possam armazenar energia para entrega em um momento posterior, como é o caso de capacitores e indutores.
A figura abaixo ilustra uma configuração de circuito equivalente de um dispositivo de amplificação freqüentemente usado na análise de circuitos. O mais à direita
resistor é a carga. Nós vamos encontrar a tensão e ganho de corrente deste sistema. Ganho de tensão, Av é definido como a relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada. Da mesma forma, o ganho de corrente, Ai, é a razão entre a corrente de saída e a corrente de entrada.
Figura 1- Circuito equivalente de um dispositivo amplificador de estado sólido
A corrente de entrada é:
A corrente no segundo resistor, i1, é encontrado diretamente na lei de Ohm:
(2)
A tensão de saída é então dada por:
(3)
Na equação (3), ‖ indica uma combinação paralela de resistores. A corrente de saída é encontrada diretamente na lei de Ohm.
(4)
Os ganhos de voltagem e corrente são então encontrados formando as proporções:
(5)
(6)
1.2 Circuito Equivalente do Amplificador Operacional
Figura 2 - amplificador operacional e circuito equivalente
Figure 2 (A) apresenta o símbolo para o amplificador operacional, e a Figura 2 (b) mostra seu circuito equivalente. Os terminais de entrada são v+ e v-. O terminal de saída é vFora. As conexões da fonte de alimentação estão no +V, -V e terminais de terra. As conexões da fonte de alimentação são freqüentemente omitido de desenhos esquemáticos. O valor da tensão de saída é limitado por +V e -V já que estas são as tensões mais positivas e negativas no circuito.
O modelo contém uma fonte de tensão dependente cuja tensão depende da diferença de tensão de entrada entre v+ e v-. Os dois terminais de entrada são conhecidos como não inversora e inversora entradas, respectivamente. Idealmente, a saída do amplificador não depende das magnitudes das duas tensões de entrada, mas apenas da diferença entre elas. Nós definimos o tensão de entrada diferencial, vdcomo a diferença
(7)
A tensão de saída é proporcional à tensão de entrada diferencial, e nós designamos a relação como o ganho de malha aberta, G. Assim, a tensão de saída é
(8)
Como exemplo, uma entrada de 
(E geralmente é uma pequena amplitude) aplicada à entrada não-inversora com o terminal de inversão aterrado, 
Na saída. Quando o mesmo sinal de fonte é aplicado à entrada inversora com o terminal não-inversor aterrado, a saída é 
.
A impedância de entrada do op-amp é mostrada como uma resistência na Figura 2 (b).
A impedância de saída é representada na figura como uma resistência, Ro.
Um amplificador operacional ideal é caracterizado da seguinte forma:
Estas são geralmente boas aproximações aos parâmetros dos amplificadores operacionais reais. Parâmetros típicos de amplificadores operacionais reais são:
O uso de amplificadores operacionais ideais para aproximar os amplificadores operacionais reais é, portanto, uma simplificação valiosa para a análise de circuitos.
Vamos explorar a implicação do ganho de malha aberta ser infinito. Se nós reescrevermos a equação (8) 
como se segue:
(9)
e deixar G abordagem infinito, vemos que
(10)
A equação (10) resulta observando que a tensão de saída não pode ser infinita. O valor da tensão de saída é limitado pelos valores positivos e negativos da fonte de alimentação. A equação (10) indica que as voltagens nos dois terminais são as mesmas:
(11)
Portanto, a igualdade da equação (11) nos leva a dizer que há um curto-circuito virtual entre os terminais de entrada.
Como a resistência de entrada do op-amp ideal é infinita, a corrente em cada entrada, terminal de inversão e terminal não-inversor é zero.
Quando op-amps reais são usados em um modo de amplificação linear, o ganho é muito grande e a Equação (11) é uma boa aproximação. No entanto, várias aplicações para amplificadores operacionais reais usam o dispositivo em um modo não linear. A aproximação da equação (11) não é válida para estes circuitos.
Embora os amplificadores opcionais tenham alto ganho de tensão, esse ganho varia com a freqüência. Por esta razão, um op-amp não é normalmente usado na forma mostrada na Figura 2 (a). Essa configuração é conhecida como loop aberto porque não há feedback da saída para a entrada. Vemos mais adiante que, embora a configuração de malha aberta seja útil para aplicativos de comparação, a configuração mais comum para aplicativos lineares é o circuito de circuito fechado com feedback.
Elementos externos são usados para “realimentar” uma parte do sinal de saída para a entrada. Se os elementos de feedback forem colocados entre a saída e a entrada inversora, o ganho de malha fechada é diminuído, pois uma parte da saída é subtraída da entrada. Veremos mais tarde que o feedback não apenas diminui o ganho geral, mas também torna esse ganho menos sensível ao valor de G. Com o feedback, o ganho de malha fechada depende mais dos elementos do circuito de feedback e menos da operação básica. ganho de tensão de ampere, G. De fato, o ganho de malha fechada é essencialmente independente do valor de G - ele depende apenas dos valores dos elementos do circuito externo.
A figura (3) ilustra um circuito op-amp de feedback negativo de estágio único.
Figura 3- A inversão do op-amp
Portanto, vamos analisar esse circuito na próxima seção. Por enquanto, observe que um único resistor RF, é usado para conectar a tensão de saída, vFora para a entrada inversora, v-.
Outro resistor, Ra está ligado a partir da entrada inversora, v-, para a tensão de entrada, va. Um terceiro resistor, R é colocado entre a entrada não-inversora e o terra.
Os circuitos que usam amplificadores operacionais, resistores e capacitores podem ser configurados para realizar muitas operações úteis, como somar, subtrair, integrar, diferenciar, filtrar, comparar e amplificar.
1.3 Método de Análise
Analisamos os circuitos usando as duas propriedades ideais de amplificador operacional:
- A voltagem entre v+ e v- é zero ou v+ = v-.
- A corrente em ambos v+ e v- terminal é zero.
Essas observações simples levam a um procedimento para analisar qualquer circuito ideal de amplificador operacional da seguinte maneira:
- Escreva a equação do nó da lei atual de Kirchhoff no terminal não-inversor, v+.
- Escreva a equação do nó da lei atual de Kirchhoff no terminal de inversão, v-.
- Conjunto v+ = v- e resolva para os ganhos de loop fechado desejados.
Ao aplicar as leis de Kirchhoff, lembre-se de que a corrente em ambos v+ e v- terminal é zero.