Crie um circuito amplificador com OpAmp para cada um dos seguintes ganhos:
Passo 1
O enunciado pede que eu crie um circuito amplificador com OpAmp cujo ganho seja
.
Informações dadas: apenas o valor do ganho desejado . Não há restrição sobre tipo de alimentação, valores de resistores, nem sobre o OpAmp específico.
Informações dadas: apenas o valor do ganho desejado
Passo 2
Decisão do tipo de circuito (sem resolver ainda): a forma mais direta e comum de obter um ganho negativo é usar o amplificador inversor com realimentação resistiva. Vou escolher esse topologia porque:
- ela fornece ganho com sinal invertido de forma simples;
- a fórmula do ganho é direta e fácil de controlar por dois resistores;
- é a configuração que normalmente se pede numa prova quando querem
negativo.
Passo 3
Descrição do circuito inversor (o que conectar):
- O terminal não-inversor (
) do OpAmp vai conectado ao referencial de referência (normalmente massa, isto é, ). - O sinal de entrada
entra por um resistor ligado ao terminal inversor ( ). - Um resistor de realimentação
liga a saída ao terminal inversor ( ). - A alimentação do OpAmp deve ser fornecida por trilhos simétricos (
e ) apropriados ao componente usado, por exemplo ou .
Esquematicamente (em palavras):
—
—
do OpAmp;
—
—
do OpAmp;
do OpAmp ao terra.
Passo 4
Princípio físico e derivação da fórmula do ganho (passo a passo didático):
- Assumo um OpAmp ideal com realimentação negativa. Nesse caso valem duas aproximações úteis:
- a corrente de entrada nos terminais
e é desprezível (praticamente zero); - devido ao ganho quase infinito e à realimentação negativa, a tensão no terminal
fica praticamente igual à tensão no terminal (isso é chamado de “muito perto de curto virtual”). Se está em (terra), então a tensão no nó é aproximadamente .
- a corrente de entrada nos terminais
- Fazer análise nodal no nó do terminal
. Chamo a tensão desse nó de . Pela aproximação, . - Como a corrente de entrada do amplificador é zero, a corrente que vem de
através de deve sair através de para a saída . Escrevo isso como: - Substituo
e reorganizo:
- Portanto o ganho em malha fechada é
Isto explica por que o ganho é negativo (sinal de inversão) e como ajustar a magnitude via razão de resistores.
Passo 5
Escolha prática de valores de resistores (passo a passo e justificando):
- Queremos
, ou seja → . - Uma escolha prática e comum é usar valores na faixa de alguns k
a algumas centenas de k para evitar correntes muito grandes (muito baixas ) ou ruído/polarização (muito altas ). Valores típicos: a . - Proposta simples e didática:
-
-
Assime portanto .
-
- Alternativas igualmente válidas (se quiser outra corrente de polarização):
ou (este último pode exigir resistores não padronizados; por isso prefiro / ).
Passo 6
Atenção à compensação de corrente de polarização (dica prática importante):
- Como as correntes de polarização dos terminais não são exatamente zero em amplificadores reais, recomenda-se colocar no terminal
um resistor cujo valor seja igual ao equivalente paralelo de e , para minimizar deslocamento DC devido às correntes de polarização. - O valor recomendado é
Com e : - Colocar
entre o terminal e o terra ajuda a balancear as quedas de tensão causadas pelas pequenas correntes de entrada.
Passo 7
Alimentação e limites práticos:
- Escolher a alimentação conforme o OpAmp escolhido. Exemplos:
- Para OpAmp clássico como o 741, usar
ou (o 741 não é rail-to-rail). - Para OpAmps modernos rail-to-rail (por exemplo TLV237x, MCP600x, etc.), pode-se usar alimentação simples
a dependendo do componente; nesse caso a referência do circuito não pode ser o terra se for necessário sinal bipola r. Para sinais em torno de zero, é mais simples usar alimentação simétrica.
- Para OpAmp clássico como o 741, usar
- Verificar a faixa de entrada comum e swing de saída do OpAmp para garantir que o sinal de entrada e a saída desejada fiquem dentro do que o componente suporta.
Passo 8
Exemplo rápido de funcionamento numérico (para checar entendimento):
- Se
então - Se
então
Passo 9
Observações finais e boas práticas de bancada:
- Colocar capacitores de desacoplamento (por exemplo
) próximos aos terminais de alimentação do OpAmp para estabilidade. - Evitar fios longos e laços de massa que introduzam ruído.
- Se precisar de precisão DC alta, considerar ajuste de offset com potenciômetro ou escolher OpAmp com baixo offset e baixa corrente de polarização.
- Lembre-se: a fórmula
vale para o inversor com OpAmp em condição de malha fechada e com realimentação negativa.
Resposta
Use um amplificador inversor com
e
. Conexões:
→
→
do OpAmp;
entre
e
;
do OpAmp ao terra. Alimentação adequada (ex.:
). Ganho resultante
.