Resumo extraído do Capítulo 4 do livro Basic Engineering Circuit Analysis de J. David Irwin e R. Mark Nelms

Capítulo 4 – Amplificadores Operacionais

4.1 Introdução

O amplificador operacional (AmpOp) é apresentado como o circuito integrado mais importante no projeto de circuitos analógicos. É um dispositivo muito versátil composto por transístores e resistências que permite amplificar significativamente as capacidades de concepção de circuitos, sendo usado em sistemas de controlo de motores, telemóveis, entre outros.

Historicamente, os primeiros AmpOps eram construídos com válvulas, tornando-os volumosos e consumidores de energia. Com a invenção do transístor em 1947, os AmpOps tornaram-se mais pequenos e eficientes. A introdução dos circuitos integrados (CIs) na década de 1970 permitiu colocar todos os componentes num único chip, tornando-os baratos e compactos (por exemplo, quatro AmpOps de boa qualidade num só CI por cerca de 40 cêntimos).

O nome “Amplificador Operacional” advém do facto de originalmente terem sido projetados para realizar operações matemáticas (soma, subtracção, diferenciação, integração). Com redes simples associadas, podem criar “blocos construtivos” como escalonamento de tensão, conversão corrente-tensão e muitas outras aplicações complexas.

O texto sublinha que para compreender o comportamento do AmpOp mesmo apenas conhecendo resistências e fontes, é fundamental recorrer à modelação, visto que o AmpOp é essencialmente um amplificador de tensão de elevada qualidade. Assim, a sua análise começa com um modelo de primeira ordem.

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4.2 Modelos de AmpOp

Esta secção explica como se modela o comportamento do AmpOp de forma prática.

• Entradas e Saídas: Um AmpOp típico (exemplo: LM324) tem entradas não inversora (+) e inversora (−) e uma saída. A relação entre tensões é dada por:

  $$V_o = A_o (IN^+ - IN^-)$$

  onde $A_o$ é o ganho em malha aberta (típico: 10^4 a 10^6).

• Alimentações: Necessita de tensões DC (VCC e VEE). VCC é positiva em relação à massa, VEE pode ser negativa ou zero.

• Modelo Simplificado:

  • Amplificador de tensão dependente com ganho Ao.

  • Resistência de entrada (Ri) elevada.

  • Resistência de saída (Ro) baixa.

Para obter um ganho máximo, deseja-se $A_o \to \infty$, $R_i \to \infty$ e $R_o \to 0$.

A secção discute ainda:

• Limitações reais: o AmpOp satura se a tensão de saída tentar ultrapassar as tensões de alimentação.

• Rail-to-rail: capacidade de alguns modelos de terem entradas e saídas que se aproximam muito das tensões de alimentação.

• Modelos reais com dados de fabricantes para Ao, Ri e Ro.

Introduz-se ainda o modelo ideal:

• $A_o = \infty$
  

• $R_i = \infty$
  

• $R_o = 0$
  

O modelo ideal resulta em:

• Correntes de entrada nulas: $i^+ = i^- = 0$.

• Igualdade das tensões de entrada: $V^+ = V^-$.

Apresenta-se o exemplo do seguidor de tensão que tem ganho ≈ 1, isolando o circuito de entrada do de saída e evitando carga no gerador de sinal.

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4.3 Montagens Fundamentais com AmpOp

Esta secção aplica o modelo ideal para analisar montagens básicas.

• Amplificador inversor:

  • Configuração com entrada na porta inversora.

  • Ganho:

    $$\frac{V_o}{V_s} = -\frac{R_2}{R_1}$$

  • Simples de ajustar: basta mudar resistências.

  • Insensível a variações nos parâmetros internos (Ao, Ri, Ro).

• Amplificador não inversor:

  • Entrada na porta não inversora.

  • Ganho:

    $$\frac{V_o}{V_{in}} = 1 + \frac{R_F}{R_I}$$

  • Não inverte o sinal e ganho também definido por resistências.

• Amplificador diferencial:

  • Subtrai duas tensões de entrada.

  • Saída:

    $$V_o = \frac{R_2}{R_1} (V_2 - V_1)$$

  • Usado para rejeitar ruído comum.

• Amplificador de instrumentação:

  • Versão mais precisa do diferencial.

  • Alta impedância de entrada e grande rejeição de modo comum.

  • Saída expressa em função de V1 e V2 e resistências de ganho.

• Amostras e problemas resolvidos:

  • Exemplos calculados para cada configuração (ganho inversor, não inversor, diferencial, de instrumentação).

  • Problemas de aplicação prática, como um amperímetro electrónico para converter corrente em tensão.

• Realimentação Negativa:

  • Essencial para operação linear.

  • Força as tensões de entrada a serem iguais no modelo ideal.

  • Contrapõe-se à realimentação positiva (ex.: comparadores e osciladores), onde não se aplica o modelo ideal.

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4.4 Resumo 

• Características principais do AmpOp:

  • Resistência de entrada elevada.

  • Resistência de saída baixa.

  • Ganho muito elevado.

• Modelo ideal:

  • $i^{+}=i^{-}<br>$

  • $V^{+}=V^{-}$

• Estratégia de análise:

  • Escrever equações nodais nos terminais de entrada.

  • Usar as condições do modelo ideal para resolver circuitos.

• Observação importante:

  • A maioria dos circuitos com AmpOps usa realimentação negativa para assegurar comportamento linear e estável.

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