Explique a diferença entre amplificador inversor e amplificador não inversor. Comente sobre ganho, fase e impedância de entrada.
Passo 1
O que o enunciado pede:
- Explicar a diferença entre amplificador inversor e amplificador não inversor.
- Comentar sobre ganho, fase e impedância de entrada de cada um.
Informações relevantes (hipóteses que vou usar e que normalmente valem em provas):
- Vou usar o modelo de amplificador operacional ideal salvo indicação contrária.
- Isso significa: ganho aberto muito grande (idealmente infinito), correntes de entrada nulas e impedância de entrada muito alta, e impedância de saída muito baixa.
- Em ambos os casos consideraremos a configuração básica com dois resistores que definem o ganho: um resistor de entrada
e um resistor de realimentação . - As expressões a apresentar serão as fórmulas usuais de ganho em malha fechada e as consequências sobre fase e impedância de entrada.
Passo 2
Conceitos básicos que vou usar (mini-aula rápida e simples)
- O amplificador operacional em malha fechada com realimentação negativa cria uma situação chamada de “diferença virtual nula”: quando há realimentação negativa e o op‑amp está operando linearmente, a tensão no terminal positivo
e no terminal negativo ficam praticamente iguais. Em notação: Isso não quer dizer que as entradas estão fisicamente conectadas — é consequência do ganho muito grande do op‑amp e da realimentação. - Como as correntes de entrada são (aproximadamente) nulas, qualquer corrente que entrar no nó da entrada negativa tem que sair pelo resistor de realimentação.
- Esses dois fatos (virtual short e correntes de entrada nulas) são as ferramentas principais para deduzir ganhos e impedâncias das duas configurações.
Passo 3
Amplificador inversor — circuito e ideia física
- Circuito padrão: entrada
passa por um resistor para a entrada negativa do op‑amp; há um resistor entre a saída e a entrada negativa; a entrada positiva está ligada ao terra (0 V). - Pelo princípio da diferença virtual nula, como
, temos Por isso diz-se que o nó da entrada negativa está em “terra virtual”. - Como não entra corrente no terminal do op‑amp, a corrente que vem de
através de deve passar por até a saída. Assim: - Substituindo
dá - Conclusão sobre ganho:
A magnitude do ganho é e o sinal negativo indica inversão de fase.
Passo 4
Amplificador inversor — fase e impedância de entrada (detalhes práticos)
- Fase: o sinal de saída está invertido em relação à entrada; isto é, há uma defasagem de
. - Impedância de entrada: o terminal de entrada “vê” o resistor
ligado ao nó virtual (que está em 0 V). Logo, a impedância de entrada vista pelo gerador que alimenta é, em primeira aproximação, Observação: isso é importante em provas — o inversor tem impedância de entrada igual a (não muito alta, a menos que se escolha grande). - Ruídos, offsets e corrente de polarização do op‑amp: como a entrada está a um nó virtual, pequenas correntes de polarização e resistências podem causar erro de offset proporcional a
e . Em provas pode ser pedido, então vale lembrar que esses erros aumentam com o aumento de resistências.
Passo 5
Amplificador não inversor — circuito e derivação do ganho
- Circuito padrão: entrada
vai diretamente para o terminal positivo do op‑amp ( ); a realimentação é feita por um divisor de tensão entre saída e terra, composto por (entre saída e ) e (entre e terra). - Pelo princípio da diferença virtual nula, com realimentação negativa temos
- O nó
é a saída do divisor formado por e . Pela regra do divisor de tensão: - Igualando
e resolvendo para : - Conclusão sobre ganho:
Passo 6
Amplificador não inversor — fase e impedância de entrada (detalhes práticos)
- Fase: o sinal de saída não se inverte; a saída está em fase com a entrada (deslocamento de fase
para sinais de baixa frequência). - Impedância de entrada: como a entrada é ligada diretamente ao terminal não inversor do op‑amp e a corrente de entrada do op‑amp é (praticamente) zero, a impedância de entrada é muito alta, aproximadamente igual à impedância de entrada do próprio op‑amp:
Na prática isso significa que a entrada não carrega a fonte — ótimo quando a fonte tem alta impedância. - Observação sobre divisor: embora
e estejam no circuito, eles não determinam a impedância vista pela fonte que aplica ; por isso a não-inversora tem impedância de entrada muito maior que a inversora (onde ).
Passo 7
Comparações práticas e outras observações importantes (dicas de prova)
- Relação entre os ganhos com os mesmos resistores: para um par
, - inversor:
, - não‑inversor:
.
Assim, com as mesmas resistências os ganhos em magnitude não coincidem em geral (ex.: seentão inversor tem ganho e não‑inversor tem ganho ).
- inversor:
- Banda passante e ganho: o produto ganho × largura de banda em malha fechada costuma ser limitado pelo ganho‑banda (GBW) do op‑amp. Fórmula prática:
Logo, aumentar o ganho reduz a banda disponível. Isso vale tanto para inversor quanto para não‑inversor (a diferença de sinal não altera esse trade‑off). - Ruído e fontes: configuração não‑inversora costuma ser melhor quando se precisa alta impedância de entrada e menor ruído de fonte porque não carrega a fonte. A inversora é útil quando se precisa de impedância de entrada controlada e simples soma/escala por somador de correntes.
- Escolha em prova: se pedirem “qual tem maior impedância de entrada?” — resposta rápida: não‑inversor. Se pedirem “qual inverte a fase?” — resposta rápida: inversor.
Passo 8
Exemplinho numérico rápido (para visualizar)
- Seja
e . - Inversor:
. Ou seja, saída tem amplitude 3× entrada e é invertida ( ). - Não‑inversor:
. Saída tem amplitude 4× entrada e está em fase ( ).
- Inversor:
- Impedâncias: inversor vê
; não‑inversor vê muito grande (tipicamente megaohms ou maior, dependendo do op‑amp).
Resposta
Amplificador inversor:
; saída invertida (
de defasagem); impedância de entrada
(valor controlado pelo resistor de entrada).
Amplificador não inversor: ; saída em fase (
de defasagem); impedância de entrada
(muito alta).
Amplificador não inversor: