Existem componentes que se tornam tão populares que, mesmo com o avanço da eletrônica criando novas tecnologias, novos equivalentes com melhor desempenho, não deixam de ser usados. Na verdade, são componentes que vendem bilhões de unidades todos os anos, podendo ser usados numa infinidade de aplicações. Um desses componentes é o amplificador operacional 741, ao qual dedicamos este importante artigo de finalidade didática e também informativa.
Antes dos modernos microprocessadores e microcontroladores digitais estarem disponíveis, as aplicações que executavam cálculos, como os computadores, usavam circuitos puramente analógicos.
Estes circuitos, diferentemente dos circuitos digitais que conhecemos que trabalham com apenas dois níveis de sinais, operam com uma faixa contínua de valores que representavam as grandezas que entravam no processo de cálculo.
Ou seja, havia uma analogia entre as grandezas físicas ou matemáticas e as grandezas elétricas, daí serem denominados circuitos computadores analógicos.
Assim, se fossemos somar dois números, eles eram convertidos em tensões, e essas tensões aplicada a um circuito que realizava a operação, ou seja, um amplificador operacional, como mostrado na figura 1.
O circuito fornecia em sua saída uma tensão igual à soma das tensões de entrada.
Tais circuitos deveriam apresentar características especiais, pois da qualidade deles dependeria a precisão dos cálculos.
Esses circuitos deveriam apresentar uma grande linearidade e mais do que isso, uma impedância de entrada suficientemente alta para não afetar as tensões que deveriam ser usadas nos cálculos.
No início, os primeiros computadores que utilizam o processamento analógico com amplificadores operacionais se baseavam totalmente em válvulas, como o mostrado na figura 2.
Circuitos desse tipo eram usados com finalidade militar para calcular tabelas de tiro.
Com a chegada da computação digital e do processamento digital de sinais, os computadores analógicos caíram em desuso, mas os amplificadores operacionais não.
Estes amplificadores poderiam ser usados ainda com eficiência no controle de dispositivos, na amplificação de sinais de transdutores e muito mais.
Os transistores, possibilitavam a construção de amplificadores operacionais compactos, com baixo consumo e eficientes, mas tudo melhorou com a chegada dos circuitos integrados.
Um dos primeiros amplificadores operacionais na forma integrada foi o 709, mas em pouco tempo ele evoluiu com a chegada do 741, que talvez tenha significado o aperfeiçoamento máximo durante muito tempo para este dispositivo.
Tanto, que mesmo surgindo amplificadores operacionais integrados com características muito melhores, como rapidez, impedância de entrada e muito mais, o 741 ainda é o ideal para muitos projetos pela relação custo benefício, daí sua importância tão grande até hoje.
O Amplificador Operacional
Amplificadores operacionais são representados pelo símbolo mostrado na figura 3, onde também temos o invólucro mais comum.
Evidentemente, dentro do triângulo existe um circuito completo formado por muitos transistores e outros componentes integrado num único chip.
Um amplificador operacional típico possui duas entradas, uma saída e terminais de compensação ou controle conforme o tipo.
As entradas recebem o nome de inversora (-) e não inversora (+).
O amplificador operacional também possui terminais para sua alimentação.
Na forma de alimentação mais simples, usando uma fonte única que pode ser, por exemplo, um conjunto de pilhas ou bateria, conforme mostra a figura 4.
No entanto, em muitas aplicações, quando precisamos de sinais positivos e negativos na saída, o amplificador operacional deve ser alimentado por uma fonte simétrica, como a mostrada na figura 5.
Fontes de alimentação com transformadores e outros componentes, também podem ser utilizadas na alimentação de amplificadores operacionais, como a mostrada na figura 6.
O xx pode ser 05, 06, 08 ou 12 conforme a tensão desejada na saída da fonte.
Na figura 7 temos o modo típico de se alimentar um circuito com amplificador operacional, observando-se um ponto em que a tensão é de 0 V, que é o terra do circuito.
Na operação do operacional, aplicamos o sinal ou tensão a ser amplificada nas entradas.
Quando a diferença entre as tensões dos sinais aplicados à entrada é zero, na saída a tensão é nula.
Quando a tensão entre os terminais de entrada é positiva, a tensão de saída será positiva e quando a tensão de entrada é negativa, a tensão de saída será negativa, conforme mostra a figura 8.
O ganho de tensão de um amplificador operacional típico é muito grande, da ordem de 100 000 vezes, por exemplo, para o 741.
A sua impedância de entrada, por outro lado, também é muito alta, e a impedância de saída baixa, o que significa um grande ganho de potência para os sinais amplificados.
No entanto, amplificadores operacionais comuns não são dispositivos de alta potência, de modo que a corrente máxima em suas saídas não deve ir além de algumas dezenas de miliampères.
Podemos, entretanto trabalhar com sinais alternados, por exemplo, um sinal senoidal com a forma de onda mostrada na figura 9.
Para amplificar este tipo de sinal, temos duas possibilidades: usar uma fonte simples de modo que ele oscile entre 0 e o máximo ou então usar uma fonte simétrica de modo a termos semiciclos positivos e negativos na saída.
Na forma com fonte simétrica podemos aplicar o sinal a qualquer uma das duas entradas, conforme mostra a figura 10.
Aplicando o sinal na entrada não inversora, o sinal que aparece na saída tem a mesma fase que o sinal de entrada.
Aplicando o sinal não entrada inversora, o sinal aparece amplificado com a fase invertida.
Veja que existe um limite para a amplitude do sinal que aparece na saída do operacional, pois ele não pode ser maior do que a tensão usada na alimentação.
Assim, se o sinal de entrada ultrapassar um valor que resulte na saída uma tensão maior do que a de alimentação, ele satura, ou seja, não passa daquele valor.
Isso é mostrado na figura 11, onde temos a característica do amplificador operacional.
Desta forma, dependendo da aplicação, como no caso dos transistores, podemos usar o amplificador operacional na sua região linear como amplificador, ou na região de saturação, como comutador.
Teoricamente um amplificador operacional tem as seguintes características:
Impedância de entrada infinita
Impedância de saída nula
Ganho infinito
Faixa passante infinita
Na prática, entretanto isso não ocorre. Começamos pelo ganho, por exemplo.
O ganho típico de tensão de um amplificador operacional, quando opera com sinais de baixas freqüências pode chegar a 100 000 vezes. No entanto, à medida que a freqüência do sinal aumenta o ganho cai, conforme mostra a figura 12.
Por esse motivo, quando falamos no ganho de um amplificador operacional nos referimos ao produto ganho x faixa passante.
Assim, quando falamos que o produto ganho x faixa passante de um amplificador operacional, como o conhecido 741 é 1 MHz, isso significa que em 1 MHz seu ganho cai a um valor unitário.
Trata-se, portanto, da freqüência máxima do sinal que teoricamente ele pode amplificar.
Nos manuais técnicos é comum especificar o produto faixa passante x ganho por BW x Gain onde BW significa Band Width ou largura de faixa.
A impedância de entrada dos amplificadores operacionais comuns não é infinita, mas muito alta. Para amplificadores operacionais que usam transistores de efeito de campo na entrada ela pode chegar a centenas de gigaohms, o que é praticamente um circuito aberto.
Da mesma forma, na prática, a impedância de saída não é zero, mas tem valores pequenos, da ordem de dezenas ou centenas de ohms para os componentes comuns.
Conforme vimos na figura 12, o ganho de um amplificador operacional diminui quando a frequência aumenta, e o inverso também é válido: a frequência máxima que um amplificador operacional pode trabalhar aumenta quando seu ganho diminui.
Podemos então forçar o amplificador operacional a trabalhar com frequências maiores se diminuirmos seu ganho.
Isso pode ser feito através de uma realimentação feita com um resistor, conforme mostra a figura 13.
A relação entre o resistor de realimentação R1 e o resistor R1 (que determina a impedância de entrada), fixa o ganho do operacional.
Uma forma de se obter um ganho variável para um operacional é através de uma realimentação com um potenciômetro, conforme mostra a figura 14.
Uma configuração muito usada é aquela em que o ganho de tensão é unitário, ou seja, a amplitude do sinal de saída é igual ao de entrada.
Qual a vantagem disso?
Com o ganho unitário, a impedância de entrada se torna muito alta e a impedância de saída muito baixa, o que significa uma corrente de entrada pequena e uma corrente de saída muito maior.
Não temos ganho de tensão, mas o ganho de potência é muito alto, com impedância de entrada alta, característica muito importante em circuitos de instrumentação.
O circuito que apresenta esta configuração é denominado “seguidor de tensão” e é mostrado na figura 15.
Fontes de Alimentação
Conforme vimos, podemos alimentar o operacional com fontes simples ou simétricas.
Mas, mesmo a partir de fontes simples, podemos trabalhar com sinais alternados.
Na figura 16 temos então o que ocorre quando amplificamos um sinal alternado com fonte simples, sem adicionarmos recursos especiais de polarização.
Uma forma de se alimentar um operacional com fonte simples, mas permitindo a amplificação de sinais alternados é a mostrada na figura 17.
Os capacitores são interessantes para desacoplar a fonte, obtendo-se assim melhor desempenho.
Divisores com diodos zener e ouros componentes também podem ser elaborados, sendo encontrados diversos circuitos neste site.
Ajuste de Nulo ou Offset Null
Devido a pequenas diferenças de características entre os operacionais de um determinado tipo, fugas podem ocorrer nos circuitos e com isso, quando a tensão de entrada for nula, a tensão de saída pode não ser nula, mas apresentar um pequeno desvio de valor.
Essas diferenças podem ser compensadas através de um circuito externo, que muitos operacionais possuem, como o 741, ligando-se um trimpot, conforme ostra a figura 18.
Atuando-se sobre este componente, podemos ajustar a saída para zero volt quando a entrada for zero.
Parâmetros
Quando se trabalha com amplificadores operacionais existem alguns parâmetros que devem ser considerados.
Assim, quando consultamos as folhas de especificações dos amplificadores operacionais encontramos três blocos principais:
a) Máximos absolutos
Estas são as especificações máximas dentro das quais os dispositivos devem operar sob quaisquer condições.
b) Condições de Operação Recomendadas
São semelhantes aos máximos absolutos, mas um pouco mais estreitas, já que, se superadas não causam a queima do componente, mas sim uma operação não satisfatória.
c) Características elétricas
São as propriedades elétricas do dispositivo, medidas sob determinadas condições e que devem ser levadas em conta quando forem realizados os projetos que o utiliza.
É a partir dessas características que podemos prever o comportamento do dispositivo num projeto quando ele trabalhar dentro das condições de operação recomendadas.
A tabela dada a seguir, sugerida pela Texas Instruments em seu livro Op. Amp for Everyone (Amplificadores Operacionais Para Todos) nos mostra a principais características dos amplificadores operacionais com as definições.
| Parâmetro | Abrev. | Unid. | Definição |
| Faixa passante para 0,1 dB plana | MHz | Faixa de frequências dentro da qual o ganho é +/- 0,1 dB dentro do valor nominal | |
| Capacitância de entrada no modo comum | Cic | pF | É a capacitância que a fonte em modo comum vê em relação à entrada. |
| Impedância de entrada em modo comum | Zic | ohms | Soma da impedância com sinais pequenos para cada terminal de entrada |
| Tensão em modo comum | Vic | V | Tensão média nos pinos de entrada |
| Rejeição em Modo Comum | CMMR ou kCMR | dB | É a relação entre a amplificação da tensão diferencial no modo comum (ver texto) |
| Dissipação Total Contínua | mW | É um máximo absoluto e define a quantidade de potência que o dispositivo pode dissipar dentro de determinadas condições, incluindo a carga ligada à saída. | |
| Crosstalk (modulação cruzada) | XT | dBc | Trata-se da relação entre a mudança da tensão de saída para um canal devido a mudanças de tensão que ocorram no outro canal que não seja alimentado. |
| Ganho de Erro Diferencial | AD | % | Trata-se da mudança do ganho AC com a mudança no nível DC. Normalmente é testado em freqüências de 3,58 MHz para o sistema NTSC e 4,43 para o PAL. |
| Capacitância diferencial de entrada | C ic | pF | É o mesmo que a capacitância em modo comum |
| Resistência diferencial de entrada | rid | ? | A resistência de entrada entre dois terminais de entrada não aterrados para pequenos sinais. |
| Tensão diferencial de entrada | VID | V | É a tensão entre as entradas inversora e não inversora. |
| Erro diferencial de fase | ?D | graus | É a mudança na fase AC com a mudança de nível DC, especificado para sinais da forma que o erro de ganho diferencial. |
| Amplificação diferencial de tensão | AVD | dB | É o ganho do amplificador sem realimentação |
| Tempo de descida | ft | ns | É o tempo que a tensão de saída precisa para cair de 90% para 10% do valor final |
| Duração do Curto-Circuito de saída | - | - | Tempo em que a saída do amplificador pode ser curto-circuitada. Dada como máximo absoluto. |
| Faixa de Tensões de Entrada em Modo Comum | VICR | V | Faixa de tensões que podem ser aplicadas às entradas. Fora desta faixa o dispositivo deixa de funcionar apropriadamente |
| Corrente de Entrada | Ii | mA | É a intensidade da corrente que pode ser drenada ou fornecida por uma entrada – é um máximo absoluto |
| Corrente de Ruído de Entrada | In | pa/sqr(Hz) | É a corrente de ruído interno refletida para uma fonte de corrente ideal em paralelo com os pinos de entrada. |
| Tensão de Ruído de Entrada | Vn | nV/sqr(z) | É a tensão de ruído interno refletida para uma fonte de tensão ideal em paralelo com os pinos de entrada. |
| Produto Ganho Faixa Passante | GBW | MHz | É o produto do ganho sem realimentação e a freqüência em que ele é medido. |
| Margem de Ganho | Am | dB | É o recíproco do ganho de tensão e a freqüência na qual é feita a medida. |
| Tensão de Saída em Nível Alto | VOH | V | É a tensão máxima positiva que a saída pode atingir. |
| Corrente de Polarização de entrada | Iib | uA | É a corrente média das correntes nos dois terminais de entrada para a saída num determinado nível. |
| Capacitância de entrada | CI | pF | É a capacitância entre os terminais de entrada uando ambos estiverem aterrados. |
| Corrente de Offset de Entrada | IID | uA | É a diferença entre as correntes nos dois terminais de entrada. |
| Tensão de Offset de Entrada | VID ou VDS | mV | É a tensão DC que deve ser apicada aos terminais de entrada para cancelar o offset DC do amplificador |
| Resistência de entrada | rI | M? | É a resistência entre os terminais de entrada quando um deles estiver aterrado. |
| Faixa de Tensões de entrada | VI | V | É a faixa de tensões que pode ser aplicada à entrada. |
| Ganho de Tensão com Sinais Intensos | AV | dB | É o mesmo que ganho sem realimentação |
| Corrente de Saida no Nível Baixo | IOL | mA | É a corrente que flui na saída nas condições que a levam ao nível baixo. |
| Tensão de Saída no Nível Baixo | VOL | V | É a menor tensão positiva que aparece na saída na condição de nível baixo. |
| Figura de Ruído | NF | dB | É a relação entre o ruído total na saída relacionado com o nível de ruído na entrada, |
| Transimpedância sem Realimentação | Zt | M? | É a variação da tensão de saída que depende da freqüência em relação a mudança dependente da corrente na entrada inversora. |
| Transresistência sem Realimentação | Rt | M? | É a relação da mudança na tensão DC de saída e a variação da corrente DC na entrada inversora. |
| Ganho de Tensão sem Realimentação | AOL | dB | É a relação entre a variação da tensão de saída e a variação da tensão de entrada que a provoca. Pode ser especificada para valores DC ou para a faixa de freqüências de operação. |
| Temperatura de Operação | TA | oC | Faixa de temperaturas na qual o amplificador mantém suas características básicas. |
| Corrente de Saída | IO | mA | É a máxima corrente que pode ser drenada da saída do amplificador operacional – normalmente um máximo absoluto. |
| Impedância de Saída | Zo | ? | É a impedância colocada em série com a saída e depende da freqüência. |
| Resistência de Saída | Ro | ohms | Resistência DC que é vista em série com a saída do amplificador. |
| Fator de “Overshoot” | - | - | Variação máxima que ocorre numa transição em relação ao valor final estável dessa transição. |
| Margem de Fase | Φ m | - | Valor absoluto do deslocamento de fase sem realimentação na freqüência em que o ganho é unitário. |
| Rejeição em Modo Comum da Fonte | PSRR | dB | Valor absoluto entre a relação na tensão da fonte para a variação da tensão de offset de entrada. |
| Tempo de Subida | tr | ns | Tempo para que o sinal de saída suba entre 10% e 90% do valor na transição do mínimo para o máximo. |
| Tempo de Fixação (Setting Time) | ts | ns | Tempo em que a saída demora para se estabilizar no valor desejado numa transição. |
| Corrente de Saída de Curto-Circuito | IOS | mA | É a corrente máxima de saída que circula quando a saída é curto-circuitada para a terra. |
| Taxa de Crescimento(Slew Rate) | SR | V /us | Velocidade com que o sinal varia numa transição entre dois níveis específicos. |
| Corrente de Alimentação | ICC/IDD | mA | Corrente nos terminais da alimentação quando o amplificador está em funcionamento. |
| Corrente de Desligamento (Shutdown) | ICC/IDD SHDN | mA | É a corrente que circula pelos terminais de alimentação quando o amplificador é desligado. |
| Tensão de Alimentação | VCC/VDD | V | Tensão que deve ser usada para alimentar o amplificador. |
| Distorção Harmônica Total | THD | dB | A relação entre as tensões RMS das primeiras nove harmônicas e a tensão RMS total de saída. |
| Distorção Harmônica Total + Ruído | THD+N | dB | A relação entre a tensão de ruído e harmônicas RMS e a tensão RMS de saída para o sinal fundamental. |
| Dissipação Total | PD | mW | Potência máxima que pode ser entregue ao dispositivo para que ele consiga dissipá-la dentro das características indicadas como máximos. |
| Banda Passante para Ganho Unitário | BI | MHz | Faixa de frequências dentro da qual o ganho do amplificador é maior do que 1. |
No próximo artigo (ART1726), trataremos especificamente do 741 e de suas aplicações práticas.
