3. O típico Op-amp
CURRENT - 3. O amplificador operacional típico
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A maioria dos amplificadores operacionais é projetada e construída de acordo com o diagrama de blocos mostrado na Figura 8.
Figura 8 - Configuração típica de um amplificador operacional
O amplificador diferencial e o estágio de ganho de tensão são os únicos estágios que fornecem o ganho de tensão. O amplificador diferencial também fornece o CMRR, que é tão importante no amplificador operacional. A saída do amplificador diferencial é freqüentemente conectada a um seguidor de emissor com um grande resistor de emissor, de modo a fornecer uma carga de alta impedância ao amplificador diferencial, a fim de obter um alto ganho. Lembre-se de que um amplificador de alto ganho em comum possui uma impedância de entrada muito menor do que um amplificador CE de ganho moderado. Isto permite então o uso de um amplificador CE de alto ganho para fornecer o ganho adicional. Os amplificadores operacionais lineares são acoplados diretamente para fornecer ac ganho. Isso também elimina a necessidade de um capacitor de acoplamento que seja grande demais para ser colocado em um chip IC. Deslocadores de nível são necessários para garantir que o sinal de saída não dc Deslocamento. Os op-amps podem ser modelados com muita precisão por simulação de circuito. Vamos demonstrar isso usando a simulação de circuito online TINACloud.
Embalagem 3.1
Os circuitos de amplificadores operacionais são empacotados em pacotes IC padrão, incluindo latas, pacotes dual-in-line (DIP) e pacotes planos. Cada um desses pacotes tem pelo menos oito pinos ou conexões. Eles são ilustrados nas Figuras 9, 10 e 11.
Figura 9 - Conexão Op-amp para pacote de latas (vista superior)
Figura 10 - Conexão do op-amp DIP de 14 pinos (vista superior)
Figura 11 - Conexão de opto-amplificador para pacote plano 10-pin (vista superior)
Ao construir um circuito, é importante identificar os vários fios corretamente (eles geralmente não são numerados). As figuras ilustram a localização do pino 1. No pode empacotar da Figura 9, o pino 1 é identificado como o primeiro pino à esquerda da guia e os pinos são numerados consecutivamente no sentido anti-horário, a partir da parte superior. No pacote dual-in-line da Figura 10, a parte superior do pacote tem um recuo para localizar o pino 1 e os pinos são numerados à esquerda e à direita. Observe que mais de um amplificador operacional (normalmente 2 ou 4) é empacotado em um DIP.
No pacote plano da Figura 11, o pino 1 é identificado por um ponto e os pinos são numerados como no DIP.
Requisitos de Alimentação 3.2
Muitos amplificadores operacionais requerem uma fonte de tensão negativa e uma positiva. As fontes de tensão típicas variam de ± 5 V a ± 25 V. A figura 12 mostra conexões típicas de fonte de alimentação ao amplificador operacional.
A oscilação máxima da tensão de saída é limitada pela dc tensão fornecida ao op-amp. Alguns amplificadores operacionais podem ser operados a partir de uma única fonte de voltagem. As especificações do fabricante definem os limites de operação nos casos em que o amplificador operacional usa apenas uma fonte de alimentação.
Figura 12 - Conexões da fonte de alimentação
A oscilação máxima da tensão de saída é limitada pela dc tensão fornecida ao op-amp. Alguns amplificadores operacionais podem ser operados a partir de uma única fonte de voltagem. As especificações do fabricante definem os limites de operação nos casos em que o amplificador operacional usa apenas uma fonte de alimentação.
3.3 O 741 Op-amp
O μA741 op-amp é ilustrado no circuito equivalente da Figura 13. Ele foi produzido desde 1966 pela maioria dos fabricantes de CI e, embora tenha havido muitos avanços desde a sua introdução, o 741 ainda é amplamente utilizado.
Figura 13 - O 741 op-amp
O amplificador operacional 741 compensação interna que se refere à rede RC que faz com que a resposta de amplitude de alta frequência caia. Porque o amplificador tem alto ganho (na ordem de 104 para 105 baixas freqüências) e porque as capacitâncias parasitas nos transistores permitem feedback parasitário, o op-amp se tornaria instável e oscilaria se não fosse pela compensação interna. Dois amplificadores de diferença em cascata acionam um amplificador de potência de simetria complementar através de outro amplificador de tensão.
O amplificador operacional 741 consiste em três estágios: um amplificador diferencial de entrada, um amplificador de alto ganho intermediário de terminação única e um amplificador de buffer de saída. Outro circuito importante para o seu funcionamento é um comutador de nível para dc nível do sinal para que a saída possa balancear circuitos de polarização positivos e negativos, para fornecer correntes de referência aos vários amplificadores e circuitos que protegem o op-amp de curtos-circuitos na saída. O 741 é compensado internamente por meio de uma rede de resistor capacitor no chip.
O op-amp é melhorado adicionando mais estágios de amplificação, isolando os circuitos de entrada e adicionando mais seguidores de emissor na saída para diminuir a impedância de saída. Outras melhorias resultam em aumento de CMRR, maior impedância de entrada, maior resposta de freqüência, menor impedância de saída e maior potência.
Circuitos de polarização
Várias fontes constantes podem ser vistas no 741 op-amp da Figura 13. Transistores Q8 e Q9 são a fonte atual para IEE do amplificador diferencial formado por Q1, Q2, Q3 e Q4. Transistores Q5, Q6 e Q7são as cargas ativas que substituem o RC resistências do amplificador diferencial. Transistores Q10, Q11 e Q12 formar a rede de polarização para as fontes de corrente do amplificador diferencial. Transistores Q10 e Q11 forma uma fonte de corrente Widlar para esta rede de polarização com os outros transistores atuando como um espelho de corrente.
Proteção de curto-circuito
O circuito 741 inclui um número de transistores que normalmente são cortados e conduz somente no caso de existir uma corrente grande na saída. A polarização nos transistores de saída é então alterada para reduzir essa corrente a um nível aceitável. No circuito da figura 13, esta rede de proteção contra curto-circuito consiste de transistores Q15 e Q22 e resistor R11.
Estágio de Entrada
O estágio de entrada do amplificador operacional 741 é necessário para fornecer ganho de tensão, deslocamento de nível e uma saída de amplificador diferencial de terminação única. A complexidade do circuito causa um grande erro de tensão de offset. Em contraste com isso, o amplificador diferencial carregado por resistor padrão causa menos erros de tensão de offset. No entanto, o amplificador padrão possui ganho limitado, o que significa que mais estágios seriam necessários para alcançar a amplificação desejada. Os amplificadores diferenciais carregados de resistor são usados em amplificadores operacionais que têm menos desvio de tensão do que o 741.
Os BJTs utilizados no estágio de entrada requerem grandes correntes de polarização, introduzindo problemas de corrente de compensação. Para reduzir o erro de corrente de compensação, outros tipos de amplificadores operacionais usam MOSFETs no estágio de entrada.
O estágio de entrada do 741 é um amplificador diferencial com uma carga ativa formada por transistores Q5, Q6 e Q7 e resistores R1, R2 e R3. Este circuito fornece uma carga de alta resistência e converte o sinal de diferencial para terminação única sem degradação de ganho ou taxa de rejeição de modo comum. A saída single-ended é obtida do coletor de dados Q6. O deslocador do nível do estágio de entrada consiste em PNP transistores Q3 e Q4, que estão conectados em uma configuração de base comum.
Uso dos transistores laterais, Q3 e Q4, resulta em uma vantagem adicional. Eles ajudam a proteger os transistores de entrada, Q1 e Q2, contra a quebra da junção emissor-base. A junção emissor-base de um npn o transistor se romperá quando a polarização reversa exceder cerca de 7 V. A quebra lateral do transistor não ocorre até que a polarização reversa exceda cerca de 50 V. Como os transistores estão em série com Q1 e Q2, a tensão de ruptura do circuito de entrada é aumentada.
Estágio intermediário
Os estágios intermediários na maioria dos amplificadores operacionais fornecem alto ganho através de vários amplificadores. No 741, a saída single-ended do primeiro estágio é conectada à base do Q16 que está em uma configuração seguidora de emissor. Isso fornece uma alta impedância de entrada para o estágio de entrada que minimiza o carregamento. O estágio intermediário também consiste de transistores Q16 e Q17e resistores R8 e R9. A saída do estágio intermediário é retirada do coletor de dados Q17e fornecido para Q14 através de um divisor de fase. O capacitor no 741 é usado para compensação de freqüência, que é discutido nos capítulos subsequentes deste texto.
Estágio de saída
O estágio de saída de um amplificador operacional é necessário para fornecer alto ganho de corrente para uma impedância de saída baixa. A maioria dos amplificadores operacionais usa um estágio de saída de simetria complementar para aumentar a eficiência sem sacrificar o ganho de corrente. A eficiência máxima alcançável para o amplificador de simetria complementar, classe B, é de 78%. O amplificador de saída de terminação única tem uma eficiência máxima de apenas 25%. Alguns amplificadores operacionais usam simetria complementar de par de Darlington para aumentar sua capacidade de saída. O estágio de saída de simetria complementar no 741 consiste em Q14 e Q20.
Os pequenos resistores R6 e R7, fornece limitação de corrente na saída. O par de Darlington, Q18 e Q19, é usado no lugar do diodo no estágio de saída de simetria complementar compensada por diodo, conforme descrito no Capítulo 8. O arranjo de pares de Darlington é favorecido sobre os dois transistores conectados como um diodo, uma vez que pode ser fabricado em uma área menor. A fonte de corrente substituindo o resistor de polarização no circuito de simetria complementar é realizada por uma parte do transistor Q13. Transistores Q22, Q23 e Q24 fazem parte de um arranjo de mudanças de nível que assegura que a tensão de saída esteja centrada em torno do eixo zero.
CURRENT - 3. O amplificador operacional típico