Amplificador operacional

Amplificador Operacional

Os modelos a seguir, referem-se a modelos elétricos simplificados para os amplificadores de tensão e de corrente sem realimentação. Os modelos consideram três elementos apenas: duas impedâncias, uma de entrada e outra de saída, e uma fonte de tensão dependente.

Figura 1 Amplificador de tensão: não ideal (a) e ideal (b)

A ligação de um amplificador a uma fonte de sinal e a uma carga envolve dois divisores de tensão que reduzem o ganho máximo obtenível (Figura 1.a). Referindo ao esquema elétrico da Figura 1.b, verifica-se que a construção de uma cadeia de amplificação otimizada passa pelo recurso de amplificadores de tensão que gozem, pelo menos, das seguintes duas propriedades: impedância de entrada infinita, e impedância de saída nula. Se a estas duas propriedades se juntarem um ganho de tensão infinito, a não dependência do mesmo com a frequência e a possibilidade de aplicar na entrada e obter na saída quaisquer valores de tensão, então obtém-se aquilo que vulgarmente se designa por amplificador operacional ideal, ou AmpOp.

Apesar deste conjunto idealizado de propriedades, é um fato que o AmpOp ideal constitui uma boa aproximação do desempenho elétrico de uma vasta gama de circuitos integrados utilizados na prática. Com efeito, existem no mercado AmpOps cujo ganho ascende a 106, e cujas resistências de entrada e de saída são, respectivamente, várias dezenas a centenas de M e algumas unidades ou décimas de ohm.

Os elevados ganho e resistência de entrada do AmpOp estão na origem do curto-circuito virtual, que em alguns casos particulares implementa uma massa virtual. Este operador possibilita a realização de amplificadores de tensão cujo ganho depende apenas do cociente entre duas resistências, amplificadores soma e diferença de sinais, circuitos integradores e diferenciadores de sinal, filtros, conversores corrente-tensão e tensão-corrente, conversores de impedâncias, circuitos retificadores de sinal, comparadores de tensão, etc.. Não é exagero afirmar que, na atualidade, o AmpOp constituiu o paradigma dominante no projeto de circuitos eletrônicos analógicos.

Os amplificadores operacionais são constituídos por múltiplos componentes eletrônicos, nomeadamente transistores, resistências e capacitores. No entanto, neste texto limitamos o estudo do AmpOp à identificação e utilização prática das propriedades dos seus terminais de acesso.

1 - AmpOp Ideal

O AmpOp ideal constitui um modelo simplificado de um amplo conjunto de amplificadores de tensão atualmente existentes no mercado. Caracteriza-se pelas seguintes quatro propriedades (Figura 2):

(i) impedância de entrada infinita;

(ii) impedância de saída nula;

(iii) ganho de tensão infinito;

(iv) ausência de qualquer limitação em freqüência e em amplitude.

Figura 2 AmpOp ideal

A principal conseqüência do conjunto de propriedades apenas enunciado é, na prática, a possibilidade de estabelecer um curto-circuito virtual entre os dois terminais de entrada do AmpOp. Com efeito, a existência de uma tensão finita na saída só é compatível com um ganho infinito desde que a diferença de potencial entre os dois terminais de entrada seja nula. A natureza virtual deste curto-circuito deve-se à coexistência de uma igualdade entre tensões sem ligação física entre terminais. Na Figura 3 ilustra-se o significado prático de um curto-circuito virtual.

Figura 3 Curto-circuito e massa virtual

Por exemplo, no caso da montagem em (a) a relação entre as tensões nos nós é

isto é, a tensão na saída do AmpOp segue a da fonte de sinal aplicada na entrada. Por outro lado, no caso da montagem representada em (b) verifica-se que

ou seja, que o terminal negativo do amplificador se encontra ao nível da massa, sem no entanto se encontrar fisicamente ligado a ela. Diz-se então que o terminal negativo do amplificador operacional constitui uma massa virtual.

2 - Montagens Básicas

O AmpOp é vulgarmente utilizado em duas configurações básicas: a montagem inversora e a montagem não-inversora. Os circuitos estudados neste capítulo constituem todos eles ou variações ou combinações destas duas configurações básicas.

No que diz respeito às metodologias de análise de circuitos com AmpOps, existem basicamente as seguintes duas alternativas:

(i) uma que assume a presença de um curto-circuito