Amplificadores operacionais e realimentação

Amplificadores operacionais e realimentação

Modelo ideal, realimentação negativa, amplificador inversor e operação como comparador.

Um amplificador operacional mede a diferença entre duas tensões de entrada e produz uma saída de alto ganho:

onde $A_{OL}$ é o ganho em malha aberta. A entrada do circuito integrado é construída a partir de um estágio diferencial; por isso este capítulo aparece depois do estudo do par de transistores.

Objetivos

• distinguir operação em malha aberta e malha fechada;
• aplicar as regras do amp-op ideal somente quando houver realimentação negativa e operação linear;
• deduzir o ganho do amplificador inversor;
• reconhecer saturação e operação como comparador;
• identificar não idealidades que limitam o circuito real.

Modelo ideal

O amp-op ideal é uma abstração com:

• ganho em malha aberta infinito;
• impedância de entrada infinita, logo $i_+=i_-=0$;
• impedância de saída nula;
• largura de banda e velocidade ilimitadas;
• ausência de offset e ruído.

Em um circuito estável com realimentação negativa e saída não saturada, o alto ganho força

Essa igualdade não é uma propriedade universal dos terminais. Ela deixa de ser válida em malha aberta, com realimentação positiva ou quando a saída alcança os limites de alimentação.

Amplificador inversor

Considere $v_+=0$, uma resistência $R_{in}$ entre a fonte e a entrada inversora e uma resistência $R_f$ entre saída e entrada inversora.

Como a corrente de entrada do amp-op ideal é nula e $v_-\approx0$, a lei dos nós fornece

Assim,

O ganho é definido pela rede externa enquanto o amp-op tiver ganho de malha suficiente e margem de saída.

Exemplo

Para $R_{in}=10\,\text{k}\Omega$ e $R_f=47\,\text{k}\Omega$,

Uma senoide de $0{,}5\,\text{V}$ de pico exigiria $2{,}35\,\text{V}$ de pico na saída, com inversão de fase.

Comparador

Sem realimentação negativa, uma diferença muito pequena entre as entradas é multiplicada pelo grande $A_{OL}$. A saída tende a um dos limites:

Comparadores dedicados costumam ser mais adequados para essa função: possuem saída e dinâmica projetadas para comutação, enquanto muitos amp-ops recuperam lentamente de saturação.

Não idealidades essenciais

Do par diferencial ao amp-op

O par diferencial fornece alta sensibilidade a $v_+-v_-$ e rejeição a sinais iguais nas duas entradas. Fontes de corrente, cargas ativas, estágios de ganho e um buffer de saída completam a arquitetura conceitual do amp-op.

Por isso, offset, CMRR e corrente de polarização não são detalhes abstratos: eles nascem de transistores reais e de seus descasamentos.

Para fixar

1. Em quais condições podemos usar $v_+\approx v_-$?
2. Por que um amplificador inversor pode saturar mesmo com a equação de ganho correta?
3. Qual bloco interno do amp-op está diretamente associado ao CMRR?