Amplificador operacional

thumb|direita|Um amplificador operacional 741 num encapsulamento metálico TO-5. 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 (-) , multiplicada pelo ganho em malha aberta:

A saída do amplificador pode ser única ou diferencial, o que é menos comum. Os circuitos que utilizam amp. op. frequentemente utilizam a realimentação negativa (negative feedback) porque, devido ao seu ganho elevado, alta impedância de entrada e baixa impedância de saída, o comportamento destes amplificadores é quase totalmente determinado pelos elementos de realimentação (feedback).

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 nos quais os amp. op. 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. op. foram desenvolvidos na era das válvulas termoiônicas, quando 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.

A maioria dos amp. op. simples, duplos ou quadruplos disponíveis possuem pinagem padronizada que permite que um tipo seja substituído por outro sem mudanças na pinagem. Um amp. op. específico pode ser escolhido pelo seu ganho em malha aberta, largura de banda, nível de ruído, impedância de entrada, consumo da potência, ou uma combinação de alguns destes fatores. Historicamente, o primeiro amp. op. integrado a tornar-se largamente disponível foi o Fairchild UA-709, no final dos anos 60, porém isto foi rapidamente modificado pela performance superior do 741, que é mais fácil de utilizar, e provavelmente o mais conhecido da eletrónica - todos os principais fabricantes produzem uma versão deste chip clássico. O 741 possui transístores bipolares, e segundo os padrões modernos possui uma performance considerada média. Projectos melhorados baseados no transístor FET surgiram no final dos anos 70, e as versões com MOSFET no início dos anos 80. Há ainda os chamados amp. op. Bi-FET, que combinam transístores bipolares e MOSFETs e que, assim, aproveitam as melhores características de ambos. Bi-FETs típicos são os CA3130 e CA3140 da RCA.

Os amplificadores operacionais modernos miniaturadaimagem|119x119px|AmpOp em embalagem DIP (Dual In-Line Package) - apresentação actual. 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. op. produzidos podem aguentar curtos-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 sistemas de controle de processos automáticos. Os princípios mostrados aqui ilustram parte do foco da eletrônica. É importante perceber que o amp. op. 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.

Amplificador operacional ideal 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 possui offset de entrada igual a zero (exatamente 0 V na saída quando as duas entradas forem exatamente iguais) e nenhuma interferência térmica. Os circuitos integrados de amp. op. utilizando MOSFETs são os que mais se aproximam destas características 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.

Notação Um símbolo elétrico para o amplificador operacional é mostrado abaixo:

op-amp.

Os seus terminais são: V+: entrada não-inversora V−: entrada inversora Vout: saída VS+: alimentação positiva VS−: alimentação negativa

Os pinos de alimentação (VS+ e VS−) podem ser nomeados de diferentes formas. Ver pinos de alimentação dos CIs. Para amp. op. 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. op. 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 omitidos dos esquemas elétricos para uma maior simplicidade, 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.

Uso no projeto de sistemas eletrônicos 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. op. 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. op. 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.

Após as modificações necessárias, o resultado é um circuito final utilizando amp. op. ideais. O objetivo do projeto é que qualquer erro ou discrepância restante seja insignificante na prática.

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. op. 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. op. 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. op. típicos, de baixo custo possuem uma largura de banda de alguns MHz. amp. op. 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 circuito básico do amp. op. 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):

em que G é o ganho em malha aberta do amp. op.. Assumindo que as entradas possuem impedância muito alta, uma corrente desprezável irá fluir para dentro e para fora das entradas. As saídas do amp. op., por sua vez, possuem uma impedância muito baixa.

Se a saída é conectada à entrada inversora, após passar por um divisor de tensão, então: 500x500px|Amplicador na configuração não inversora com realimentação negativa.|miniaturadaimagem

logo:

Definindo o ganho de realimentação de malha fechada como vemos que o resultado é um amplificador linear com ganho:

Se é muito grande (em geral está na ordem de grandeza de 100.000), se aproxima de .

Esta conexão de realimentação negativa, também chamada de configuração de amplificador não inversor, é o uso mais comum de um amp. op., porém muitas configurações diferentes são possíveis, fazendo dele um dos mais versáteis blocos de construção em eletrônica.

Quando conectado em uma configuração de realimentação negativa, o amp. op. irá tentar mudar a tensão de de modo a deixar as tensões de entrada iguais. Isto, aliado à alta impedância de entrada, são muitas vezes chamados de "as duas regras douradas" dos projetos com amp. op. (para circuito que utilizam realimentação):

Nenhuma corrente irá fluir nas entradas. As tensões, ou seja os potenciais em relação ao terra, nas duas entradas serão iguais (nos casos em que há realimentação da tensão da saída na entrada).

Uma exceção ocorre caso a tensão necessária para esta situação seja maior do que a alimentação do amp. op., neste caso a tensão do sinal de saída se fixa perto dos extremos da alimentação, VS+ ou VS−.

Limitações dos amp. op. 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. op. reais, assim como o modo como estas afetam o projeto dos circuitos.

Imperfeições em CC:

Amplificador operacional

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