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 em tensão é
.
Informações fornecidas:
- Ganho desejado:
. - Nenhuma restrição adicional (alimentação, impedâncias, modelo do amplificador, etc.) foi especificada.
Passo 2
Entendendo as condições ideais que normalmente usamos para projetar rapidamente um circuito com OpAmp (explicação passo a passo, sem pressupor que já saiba):
- Em um OpAmp ideal, a impedância de entrada é infinita (correntes de entrada são zero) e o ganho em malha aberta é muito grande.
- Quando aplicamos realimentação negativa e o circuito opera em regime linear, vale a aproximação do “curto virtual”: as tensões nas entradas não inversora e inversora ficam praticamente iguais. Vamos anotar isso como
. - Além disso, como as correntes de entrada são (aproximadamente) nulas, qualquer corrente que entre no nó da entrada inversora deve sair pela realimentação — isso é usado para escrever as equações de corrente no nó.
Essas duas ideias (curto virtual e correntes de entrada ≈ 0) são suficientes para derivar o ganho fechado do amplificador inversor que vamos usar.
Passo 3
Escolha da topologia: amplificador inversor (a mais simples para obter ganho negativo).
Descrição do circuito (em palavras, para depois montar): a entrada vai a um resistor
que alimenta a entrada inversora (
) do OpAmp; um resistor de realimentação
liga a saída
à mesma entrada inversora; a entrada não inversora (
) é conectada ao terra. As alimentações do OpAmp (
) devem ser conectadas conforme o componente escolhido, por exemplo
ou
.
Descrição do circuito (em palavras, para depois montar): a entrada
Passo 4
Derivação do ganho do amplificador inversor (passo a passo, com as contas bem explicadas).
- Chame a tensão no nó da entrada inversora de
. Pelo curto virtual, como a entrada não inversora está em terra, temos
- Escrevendo a soma das correntes no nó
(corrente vindo de pela resistência mais corrente vindo de pela resistência deve ser zero, porque a corrente para dentro da entrada do OpAmp é (aproximadamente) zero):
- Substituindo
na expressão:
- Isolando a relação entre
e :
- Portanto o ganho em tensão (definido como
) é
Conclusão importante: para obter
basta escolher
Passo 5
Escolha prática dos valores de
e
(como escolher números concretos e por quê).
- Regras práticas:
- Não usar resistores muito baixos (p.ex.
) se não quiser que o circuito consuma muita corrente da fonte e carregue o estágio de saída do OpAmp. - Não usar resistores muito altos (p.ex.
) porque correntes de polarização de entrada e ruidos se tornam significativos, afetando o erro de offset e a estabilidade.
- Não usar resistores muito baixos (p.ex.
- Valores típicos e seguros: escolher resistores na faixa
a . Um valor muito comum e equilibrado é
Esse par dá bom compromisso entre consumo, erro por corrente de polarização e ruído prático.
Passo 6
Montagem final do circuito (descrição completa de ligações):
- Conectar
ao resistor . - Conectar a outra extremidade de
ao pino de entrada inversora ( ) do OpAmp. - Conectar
entre a saída do OpAmp e a entrada inversora ( ). - Conectar a entrada não inversora (
) ao terra. - Alimentar o OpAmp com as tensões simétricas apropriadas (
); por exemplo ou , conforme o modelo escolhido. - Exemplo numérico completo:
. Então
Passo 7
Exemplo numérico de uso (para treinar sua intuição e saber o que esperar):
- Se
então
- Se
então
Passo 8
Ajustes finos e limitações práticas (coisas que normalmente aparecem na prova ou na bancada):
- Impedância de entrada vista pela fonte: para o amplificador inversor essa impedância é aproximadamente
. Com , a fonte vê . - Offset devido às correntes de polarização: para reduzir erro por corrente de polarização, recomenda-se colocar um resistor
entre a entrada não inversora e o terra com valor aproximadamente igual ao paralelo de e :
No caso
,
- Bandwidth e slew rate: o ganho fechado e a resposta em frequência dependem do OpAmp escolhido; muitos OpAmps têm produto ganho–banda finito, logo se precisar de boa resposta em altas frequências escolha um OpAmp com GBW adequado.
- Faixa de saída: o OpAmp não pode gerar tensões além de suas rails; verifique que
exigido não ultrapasse as tensões de alimentação menos a saturação típica do componente.
Passo 9
Como testar rapidamente (passos práticos):
- Monte o circuito na protoboard ou simule no SPICE com
e alimentação . - Aplique um sinal senoidal pequeno (por ex.
, amplitude ) e observe que a saída é inversa e com mesma amplitude (ganho ). - Meça DC: aplique
DC e confirme saída . - Se notar offset, adicione o resistor
entre entrada não inversora e terra para reduzir erro por correntes de polarização.
Resposta
Amplificador inversor com
. Exemplo prático:
, alimentação
(ou
), resultando em
.