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Curso de Eletrônica Analógica – Parte 11 - Os Amplificadores Operacionais e o 555 (CUR2011)

11.1 - O Amplificador Operacional

Os amplificadores operacionais foram desenvolvidos originalmente para realizar operações em computadores analógicos, um tipo que hoje já não se usa mais. Nestes computadores, as operações eram feitas somando-se e subtraindo-se tensões, que então eram medidas na saída, dando assim os resultados das operações.

Combinando-se muitos destes amplificadores com a capacidade de realizar operações diversas além da soma e subtração, cálculos complicados eram feitos com facilidade, conforme o leitor poderá ver clicando na figura abaixo.

 

Uma operação matemática executada por 3 amplificadores operacionais
Uma operação matemática executada por 3 amplificadores operacionais

 

 

Atualmente o amplificador operacional tem muitas outras utilidades, pela sua capacidade de realizar “operações” com as tensões elétricas.

Basicamente um amplificador operacional consiste num dispositivo que tem duas entradas para os sinais e uma saída, conforme mostra o símbolo universalmente adotado no diagrama abaixo.

 

Símbolo do amplificador operacional
Símbolo do amplificador operacional

 

 

Uma das entradas, marcada com o sinal (+), recebe o nome de “entrada não inversora”. Ela recebe este nome porque um sinal aplicado neste local aparece na saída (S) do circuito com a mesma polaridade ou fase.

Assim, se ocorrer uma pequena variação da tensão nesta entrada, de 0 a 1 mV, por exemplo, na saída teremos uma variação da tensão amplificada de 0 a 1 V, por exemplo. Neste caso temos uma variação de 1 000 vezes na intensidade do sinal, o que quer dizer que o operacional tem um ganho de 1 000 vezes.

Amplificadores operacionais comuns, como o 741, um dos mais famosos, podem ter ganhos tão grandes como 100 000 vezes como mostra o esquema a seguir.

 

Amplificando 100 000 vezes um sinal
Amplificando 100 000 vezes um sinal

 

 

A outra entrada, marcada com o sinal (-), recebe o nome de “entrada inversora”. Se aplicarmos um sinal nesta entrada, ele aparece na saída com a polaridade ou fase invertida, conforme o leitor poderá ver no próximo diagrama.

 

Usando a entrada inversora
Usando a entrada inversora

 

 

Assumindo que a saída esteja em zero volt, verificamos que, se a tensão na entrada inversora variar de 0 a 1 mV, na saída a tensão variará de 0 a -1 volt.

Veja que, nestas condições, é preciso que a alimentação do circuito seja simétrica, ou seja, que tenha tensões negativas para poder produzir estes valores na saída. Como isso é conseguido através de alimentação especial, será estudado mais adiante.

Outra modalidade de funcionamento para o operacional que deve ser considerada é quando aplicarmos o sinal ENTRE as entradas, ou seja, entre a entrada inversora e a entrada não-inversora, conforme o leitor poderá ver na figura abaixo.

 

Operação no modo diferencial
Operação no modo diferencial

 

 

Neste caso o amplificador amplifica a diferença entre as tensões nos dois pontos. Se aplicarmos um sinal que tenha uma tensão de 1 mV de amplitude, conforme o leitor constatará pela próxima figura teremos na saída do integrado operacional um sinal de mesma fase amplificado.

 

Amplificação sem inversão de fase
Amplificação sem inversão de fase

 

 

Se a polaridade do sinal for invertida, de tal forma que a entrada inversora fique sob tensão mais alta que a não-inversora, também temos a amplificação mas com a inversão de polaridade, conforme o leitor poderá ver no diagrama abaixo.

 

Amplificação com inversão de fase
Amplificação com inversão de fase

 

 

Além de um elevado ganho ou fator de amplificação, os amplificadores operacionais também têm outras características importantes que devem ser consideradas. Uma delas é a elevada impedância de entrada.

Para amplificadores comuns, com transistores bipolares (de junção), como o 741, esta impedância é de 1 000 000 de ohms. Isso significa que os sinais muito fracos podem ser usados nas entradas, sem carregar os circuitos que os fornece.

Amplificadores operacionais com transistores de efeito de campo na entrada (J-FET ou MOS-FET) podem ter impedâncias de entrada ainda mais altas, como o CA3140 que chega aos 1012 (1 000 000 000 000 ohms).

Estes amplificadores podem ser usados em instrumentação, onde a impedância de entrada elevada é muito importante para não se “carregar” ou influir no circuito que está sendo medido.

Outra característica importante é a impedância de saída, que nos amplificadores operacionais como o 741, é da ordem de 150 W.

De fato, um amplificador operacional típico é um dispositivo de baixa potência, não servindo para excitar diretamente cargas, como alto-falantes ou outros dispositivos.

Nas aplicações de áudio, e em muitos outros casos, ele funciona muito mais como um eficiente pré-amplificador para sinais muito fracos aumentando sua intensidade, mas não a ponto de excitar as cargas finais para o que são usados outros circuitos adicionais como, por exemplo: outros integrados ou transistores, conforme mostra a figura abaixo.

 

Aumentando a potência de saída de um amplificador operacional
Aumentando a potência de saída de um amplificador operacional

 

 

Existem, entretanto, amplificadores operacionais de potência que já incluem transistores, e outros elementos internos necessários à operação com cargas de alto consumo. Estes integrados podem ser encontrados em invólucros que já incluem a aleta de montagem em um radiador de calor.

Veja no gráfico abaixo a curva de transferência de um amplificador operacional de onde tiramos algumas informações importantes.

 

Curva de transferência de um amplificador operacional
Curva de transferência de um amplificador operacional

 

 

Observe que a tensão varia entre -V e +V na saída, sendo estes valores os correspondentes à tensão de alimentação.

Supondo que o ganho do amplificador operacional numa aplicação seja 1000, vemos que, se alimentação for de +10 e -10 V, quando aplicarmos uma tensão na entrada de 10 mV, isso já significa que, amplificada, ela atingirá o valor da tensão máxima disponível no circuito que é de 10 V.

Assim, qualquer aumento adicional na entrada não causará mais variação na tensão de saída. O circuito estará então “saturado”.

É claro que, para empregar o amplificador operacional como amplificador propriamente dito devemos manter o sinal de entrada dentro de sua parte linear de funcionamento, ou seja, dentro dos limites em que não ocorre a ultrapassagem da tensão de alimentação na saída, caso contrário ocorrerá a saturação.

Conforme veremos mais adiante, para adequar o operacional a uma determinada aplicação podemos “mexer” no seu ganho ou fator de amplificação reduzindo-o até o valor desejado.

 

Invólucros

Os amplificadores operacionais podem ser encontrados nos mais diversos tipos de invólucros. Os primeiros tipos eram encontrados em invólucros metálicos, como o mostrado na próxima foto, que é de um antigo 741 em invólucro TO-5.

 

 

Amplificador operacional em invólucro TO-5 antigo
Amplificador operacional em invólucro TO-5 antigo

 

 

Este tipo de invólucro não mais é usado. Assim, os tipos modernos podem ter invólucros DIL, SMD e outros conforme a aplicação. Na figura abaixo temos alguns tipos de invólucros de amplificadores operacionais mais modernos.

 

Invólucros modernos para amplificadores operacionais
Invólucros modernos para amplificadores operacionais

 

 

Na Prática

Para trabalhar com sinais digitais o amplificador operacional pode ser levado ao seu ponto de saturação. Assim, uma das aplicações deste componente é justamente obter pulsos de intensidade constante, a partir de sinais que não tenham esta característica justamente aproveitando suas características de saturação.

Com relação à frequência máxima de operação, podemos dizer que os amplificadores operacionais são dispositivos relativamente lentos, se bem que existem tipos especiais muito mais rápidos. Para o 741, por exemplo, à medida que sua velocidade de operação aumenta, também cai seu ganho. Isso nos leva a definir sua capacidade de operação em termos de frequência como uma frequência de transição.

Veja no próximo gráfico a curva ganho x frequência do amplificador operacional 741, observando-se que de um ganho de 100 000 vezes com sinais de corrente contínua ou sinais de frequência muito baixa, passamos para um ganho igual a 1 (o sinal da saída é igual ao de entrada) para uma frequência de 1 MHz.

 

Resposta de frequência de um amplificador operacional
Resposta de frequência de um amplificador operacional

 

 

Acima desta frequência o circuito integrado não “amplifica” mais o sinal.

 

 

O que significa Rail-to-Rail (RRO)

Existem termos técnicos modernos que ainda não são bem conhecidos de muitos profissionais da eletrônica. Muitos destes termos são de grande importância, pois definem características de componentes ou circuitos fundamentais para sua correta operação numa aplicação. Um destes termos é railt-rail ou linha-a-linha (abreviadamente RRO – Rail-to-Rail Operational) que vamos explicar neste artigo.

Os amplificadores operacionais convencionais, como o conhecido 741, quando funcionam em toda sua faixa dinâmica de tensões de saída, não conseguem atingir os valores máximos correspondentes à alimentação. Assim, se alimentarmos um operacional deste tipo com uma fonte simétrica de 12 + 12 V, quando ele operar, o sinal de saída não vai excursionar entre -12 e +12 V, mas um pouco menos, pois sempre existe certa queda nos componentes externos.

Desta forma, conforme mostra o próximo gráfico, o amplificador só vai conseguir excursionar entre 11,4 e -11,4, V. A pequena diferença que impede que ele alcance as tensões das linhas de alimentação, ou “rail” se deve à perdas internas normais.

 

A saída de um operacional comum não consegue atingir a tensão de alimentação (rail).
A saída de um operacional comum não consegue atingir a tensão de alimentação (rail).

 

 

Dizemos, nestas condições, que este amplificador operacional não consegue uma excursão da tensão de saída rail-to-rail.

Os 0,6 V de cada lado de um operacional alimentado com 12+12 V, não significam muito, e numa aplicação normal, esta diferença não afeta o funcionamento da aplicação. No entanto, a tendência atual é que os circuitos operem com tensões cada vez mais baixas.

Desta forma, se alimentarmos um operacional com 2,7 V, o que dá 1,35 V para cada linha, uma queda de 0,6 V de cada lado, ou 1,2 V seria catastrófica! A saída do amplificador teria uma amplitude de apenas 0,3 V, o que impede o funcionamento do circuito, conforme mostra o gráfico abaixo.

 

Com baixas tensões as perdas são inadmissíveis.
Com baixas tensões as perdas são inadmissíveis.

 

 

Se o amplificador operacional for alimentar circuitos lógicos, conversores A/D e outras aplicações mais críticas é absolutamente necessário que o sinal de saída possa excursionar entre os valores da linha de alimentação, ou seja, devem ser capazes de ir de linha a linha ou rail-to-rail, conforme mostra o próximo gráfico.

 

Nas aplicações críticas de baixas tensões a saída deve excursionar entre os valores das tensões, máxima e mínima de alimentação.
Nas aplicações críticas de baixas tensões a saída deve excursionar entre os valores das tensões, máxima e mínima de alimentação.

 

 

Esta necessidade dos circuitos modernos levou os projetistas a criar amplificadores operacionais com características que possibilitem que suas saídas tenham excursões que se aproximem ao máximo dos valores das linhas de alimentação, ou seja, estes amplificadores possuem saídas rail-to-rail.

Nas aplicações em que um amplificador operacional deve interfacear circuitos lógicos, microcontroladores e outros dispositivos que precisam que o sinal excursione entre os valores da linha de alimentação, tipos especiais com características rail-to-rail devem ser utilizados.

Estes amplificadores, denominados também RRO, devem ter etapas de saída especialmente projetadas para que eles possam tanto fornecer sinais de saída numa faixa dinâmica completa, como também ter características de entrada que permitam que ele opere na mesma faixa.

 

11.2 - CMRR – Rejeição em Modo Comum

CMRR é o acrônimo para Common Mode Rejection Ratio, ou Relação de Rejeição em Modo Comum. Trata-se de uma característica dos amplificadores operacionais. Quando dois sinais da mesma amplitude, freqüência e fase, são aplicados às entradas (inversora e não inversora) de um operacional, eles devem se cancelar e nenhuma saída deve ocorrer.

Na prática, entretanto, um pequeno sinal ainda aparece, sendo especificado em relação ao ganho máximo em termos de atenuação ou rejeição em dB. A capacidade do operacional em rejeitar estes sinais iguais é a rejeição em modo comum e é medida em dB. Os tipos comuns podem ter CMRR de até 90 dB.

 

11.3 – Fontes para amplificadores operacionais

Para poder funcionar em sua configuração básica, o amplificador operacional precisa ter tensões de alimentação positivas e negativas, ou seja, precisa ter uma fonte de alimentação simétrica ou dupla.

Isso significa que, partindo da referência ou terra onde a tensão é 0 V, devemos ter um setor da fonte que seja positivo (+V) e outro setor que seja negativo (-V).

A maneira mais simples de se conseguir isso é com duas baterias iguais, por exemplo, de 9 V, conforme podemos ver no diagrama abaixo.

 

Fonte simétrica com duas baterias
Fonte simétrica com duas baterias

 

 

Ligadas em série, elas fornecem uma tensão de 18 V, mas na junção das duas temos 0 V e em cada extremo, em relação a esta junção, -9 V e +9 V, que servem para a alimentação de um amplificador operacional em seu funcionamento normal. A partir da rede de corrente alternada uma fonte “dupla” ou simétrica é feita conforme mostra o próximo diagrama.

 

 

Fonte simétrica simples com transformador
Fonte simétrica simples com transformador

 

 

O importante é que, aplicando certa tensão entre os pontos de alimentação do operacional, precisamos na maioria das modalidades de funcionamento de uma tensão intermediária de 0 V que será a referência.

Outra maneira de se conseguir esta tensão de 0 V, ou intermediária, pode ser vista no diagrama a seguir. Usamos então um divisor resistivo. Resistores de 1 k ohms a 100 k ohms podem ser empregados neste divisor, dependendo da corrente de operação necessária a polarização dos demais elementos.

 

Fonte simétrica virtual com divisor resistivo
Fonte simétrica virtual com divisor resistivo

 

 

Uma filtragem para este divisor pode ser conseguida, melhorando-se o desempenho do circuito, com o uso de dois capacitores em paralelo com os resistores, conforme o diagrama abaixo.

 

Desacoplamento com capacitores
Desacoplamento com capacitores

 

 

Os capacitores podem ter valores entre 100 nF e 100 µF, dependendo da aplicação do circuito. Outra maneira de se conseguir o ponto de 0 V, e assim possibilitar a operação do circuito integrado sem fonte simétrica, é com ajuda de diodos zener, conforme o esquema elétrico mostrado na figura abaixo.

 

Fonte simétrica virtual com diodos zener
Fonte simétrica virtual com diodos zener

 

 

O resistor R em série com o circuito, é calculado em função da corrente total exigida pelo amplificador operacional. Veja que as correntes típicas dos operacionais em funcionamento são muito baixas, da ordem de no máximo algumas dezenas de miliampères, o que simplifica bastante estas alimentações.

Para o 741, a tensão máxima de operação é de 36 V, ou seja, uma tensão simétrica de 18 - 0 - 18 V. Veja que usando uma fonte comum, que não seja simétrica, com um divisor resistivo na polarização, temos de considerar a tensão de saída do operacional de outra forma.

Assim, partindo do circuito que pode ser visto na figura abaixo, vemos que o divisor formado pelos dois resistores polariza a entrada inversora com a metade da tensão de alimentação, ou seja, V/2.

 

Excursão negativa da saída do operacional
Excursão negativa da saída do operacional

 

 

Na ausência de sinal na outra entrada, teremos na saída exatamente esta tensão (pequenas diferenças internas dos componentes podem fazer este valor oscilar um pouco, mais adiante veremos como compensar isso através de ajustes).

Aplicando na entrada não-inversora um sinal positivo, teremos na saída um aumento da tensão, que então oscilará de V/2 até o máximo possível, que é V. Por outro lado, se o sinal for negativo a tensão de saída oscilará de V/2 até 0 que é o menor valor admitido.

Teremos então uma curva de transferência, conforme o leitor poderá observar no gráfico a seguir.

 

Curva de transferência positiva de um operacional com fonte simples
Curva de transferência positiva de um operacional com fonte simples

 

 

Observe que, na verdade, com o uso de uma fonte comum podemos “deslocar” a curva de transferência para cima, obtendo ainda o funcionamento do operacional, tanto com sinais de positivos como negativos.

 

 

11.4 – Aplicações Práticas

O ganho elevado de um amplificador operacional também significa certa instabilidade de funcionamento e uma redução de sua capacidade de amplificar sinais de frequências mais elevadas. Desta forma, em alguns casos, é preciso reduzir propositalmente este ganho através de recursos externos.

Assim, quando nos referimos ao ganho de um amplificador operacional em condições naturais de funcionamento, ou seja, sem nenhum dispositivo para controlar este ganho, dizemos que se trata de “ganho sem realimentação” ou do inglês “Open Loop” (laço aberto).

O controle do ganho de um amplificador operacional é conseguido com a a utilização de dois resistores, conforme a próxima figura.

 

Como controlar o ganho de um operacional
Como controlar o ganho de um operacional

 

 

O que fazemos, é realimentar o sinal, retirando-o da saída e aplicando-o à entrada inversora. Temos então um efeito de realimentação negativa, que reduz o ganho de um fator que pode ser calculado. Dizemos que, nestas condições, o amplificador operacional funciona com realimentação ou em “closed loop” (laço fechado) do inglês.

Com a ligação de um resistor (R2) para a realimentação, e outro para a entrada (R1), não só o ganho do circuito fica modificado, como também outras características. Assim, o novo ganho será dado pela relação entre R2 e R1. A impedância de entrada ficará reduzida para o valor de R1.

Veja que este é um amplificador inversor. Para um ganho de 100 vezes podemos usar os componentes apresentados no esquema abaixo, onde o amplificador operacional é um 741.

 

Amplificador com ganho 100
Amplificador com ganho 100

 

 

A impedância de entrada é de 10 k ohms neste circuito.

Para obtermos o mesmo “ajuste” do ganho para um amplificador não inversor, podemos usar o circuito no esquema a seguir. Neste circuito, o valor obtido da soma de R1 com R2 dividido pelo valor de R1 resultam no ganho do amplificador operacional.

 

O ganho de um amplificador não inversor
O ganho de um amplificador não inversor

 

 

Uma configuração muito importante do amplificador operacional é o chamado “Seguidor de Tensão”, cujo circuito pode ser visto na figura abaixo.

 

O seguidor de tensão
O seguidor de tensão

 

 

Neste circuito, a saída é ligada diretamente à entrada inversora de modo a termos uma realimentação total. O resultado disso é que o circuito passa a ter ganho unitário, ou seja, as variações da tensão da saída serão as mesmas da tensão de entrada.

Um sinal de 1 V de amplitude aplicado à entrada resultará num sinal de 1 V de amplitude na saída. Qual é a vantagem disso?

A primeira vantagem é que, com esta configuração a impedância de entrada do circuito fica enormemente aumentada. Basicamente, ela será o ganho do circuito, sem realimentação (100 000 no caso do 741), multiplicado pela impedância sem realimentação (que no caso do 741 é 1 000 000).

Obtemos então com este circuito a fantástica impedância de entrada de 100 000 000 000 ohms!

Na prática, este valor será menor, pois devemos considerar eventuais fugas e resistências indevidas dos componentes internos equivalentes, mas mesmo assim ela será muito grande.

Como a impedância de saída continua sendo muito baixa, da ordem de 150 ohms é fácil verificar que, se não temos um ganho efetivo de tensão, temos um ganho de corrente, ou seja, também um ganho de potência muito alto, conforme mostra a ilustração abaixo.

 

 

O ganho de potência do seguidor de tensão
O ganho de potência do seguidor de tensão

 

 

Assim, se aplicarmos 1 volt na entrada, o que corresponde à circulação de uma corrente extremamente pequena sobre um resistor de 10 elevado ao expoente 12 ohms, na saída teremos uma corrente bem maior que resultará em 1 V sobre uma carga de 150 ohms. O ganho de potência será muito grande!

Outra vantagem importante deste circuito é que, reduzindo o ganho também aumentamos a capacidade do operacional em trabalhar com sinais de frequências mais elevadas. Podemos então explorar bem mais suas possibilidades. O seguidor de tensão é muito usado em instrumentação onde queremos isolar o circuito a ser analisado do circuito do instrumento em si, ou seja, casando uma alta impedância com uma baixa impedância.

Outro amplificador operacional, seguindo o primeiro faria o aumento da intensidade do sinal se necessário, conforme vemos na montagem abaixo.

 

Ligando dois operacionais em cascata para obter elevado ganho e alta impedância de entrada
Ligando dois operacionais em cascata para obter elevado ganho e alta impedância de entrada

 

 

Nas aplicações práticas é interessante, às vezes, podermos variar o ganho de um amplificador operacional. Isso pode ser conseguido facilmente através de um potenciômetro ligado conforme esquema abaixo.

 

Obtendo ganho ajustável
Obtendo ganho ajustável

 

 

Na prática, um dos problemas que podem ocorrer com um circuito utilizando um amplificador operacional é que, devido às diferenças de valores entre os componentes internos, em vista da tolerância, mais às variações que ocorrem com a temperatura, aparece um desequilíbrio de funcionamento.

Assim, mesmo na ausência de sinal nas entradas, a tensão na saída pode não ser zero ou metade da alimentação, conforme a polarização, mas deslocar-se para cima ou para baixo como uma forma de desequilíbrio, conforme o leitor poderá ver na próxima figura.

 

O offset de um operacional
O offset de um operacional

 

 

Para compensar este efeito muitos amplificadores operacionais, como o 741, são dotados de recursos para se obter o equilíbrio com ajuda de um componente externo. Trata-se do ajuste de “offset”, ou ajuste de fuga que também é especificado por “offset null”. Este ajuste é feito por um trimpot ligado na forma apresentada abaixo.

 

O ajuste de nulo do 741
O ajuste de nulo do 741

 

 

Os circuitos que vimos são basicamente amplificadores de sinais de muito baixas frequências, ou correntes contínuas. No entanto, os amplificadores operacionais também podem trabalhar com sinais de áudio ou corrente alternada. Para isolar as correntes de polarização do sinal propriamente dito, fazemos como nos circuitos transistorizados comuns ou valvulados, colocando capacitores de valores apropriados.

Veja no próximo esquema elétrico um amplificador para sinais de áudio, ou corrente alternada, usando um amplificador operacional comum, e que tem ganho de 100 vezes.

 

Um operacional amplificando sinais
Um operacional amplificando sinais

 

 

Os capacitores devem ser escolhidos de modo a apresentarem uma reatância capacitiva muito baixa, ou desprezível, em relação à do circuito na frequência de operação. Para sinais de áudio é comum usarmos, no caso do 741, capacitores de 10 nF a 1 µF na entrada e de 1 µF a 100 µF na saída.

Para excitar cargas de maior potência, os amplificadores operacionais podem ser acoplados a diversos tipos de circuitos com transistores.

Veja na representação a seguir uma maneira simples de excitar uma carga com o uso de um transistor, mas operando com polaridade única.

 

 

Etapa de potência usando um transistor NPN
Etapa de potência usando um transistor NPN

 

 

Neste circuito, com ganho unitário (seguidor de tensão), quando a tensão de entrada varia de 0 a 12 V, a tensão na carga (saída) varia aproximadamente na mesma proporção. No entanto, enquanto a corrente drenada na entrada é desprezível, a saída pode suprir correntes de mais de 100 mA.

Para termos uma amplificação também dos sinais negativos, podemos usar o circuito apresentado abaixo.

 

Etapa de potência complementar com transistores
Etapa de potência complementar com transistores

 

 

Neste caso temos dois transistores complementares. O primeiro (NPN) conduz quando a tensão na saída varia entre aproximadamente 0,6 V e 12 V, enquanto que o PNP conduz quando a tensão na saída varia entre -0,6 e aproximadamente -12 V. A corrente máxima na carga pode chegar a 100 mA ou mais.

A configuração dada abaixo pode ser interessante para excitar relés.

 

Etapa de potência para excitação de relés
Etapa de potência para excitação de relés

 

 

 

11.5 – Osciladores e filtros

Os amplificadores operacionais também encontram uma larga gama de aplicações como osciladores de baixas frequências e ainda na seleção de sinais de determinadas frequências, ou seja, como filtros.

Dependendo da configuração, podemos fazer com que os amplificadores operacionais produzam sinais retangulares, senoidais ou triangulares.

Nos circuitos lógicos em geral temos a predominância de sinais digitais, mas existem muitos equipamentos que fazem uso de sinais analógicos em determinados pontos, como amplificadores de áudio, alarmes, modems, receptores e transmissores de rádio, etc. Neles podemos ter pontos em que a presença de um amplificador operacional, funcionando como oscilador ou filtro, não será uma surpresa.

No esquema a seguir temos uma configuração mais simples de oscilador usando um amplificador operacional.

 

Amplificador operacional como oscilador de relaxação
Amplificador operacional como oscilador de relaxação

 

 

Trata-se de um oscilador de relaxação, que funciona da seguinte maneira: partindo da situação inicial, em que C se encontra totalmente descarregado, ligando-se o circuito teremos na entrada inversora uma tensão próxima do máximo negativo (-V), e que começa a subir em direção ao máximo positivo, (+V) com a carga do capacitor.

Neste instante inicial, a saída estará no máximo positivo, dada a ação regenerativa do circuito que mantém a carga do capacitor através de R, e ao mesmo tempo, estabelece na entrada não-inversora (+) uma tensão de +V/2. Quando a tensão na entrada inversora e, portanto, no capacitor passa por zero em direção ao máximo positivo, ocorre a comutação do integrado.

Nesta passagem, a tensão na entrada (-) se torna maior que na entrada de referência ou não inversora (+). Com isso, a saída que era de tensão máxima (+V), passa imediatamente a (-V).

O resultado é que, agora o capacitor C começa a se descarregar por R e, consequentemente, a tensão na entrada inversora a cair. A referência, ou seja, a tensão aplicada à entrada não-inversora, com a comutação, passa a ser -V/2, ou seja, metade da tensão negativa de alimentação.

A tensão no capacitor pode então cair até este valor, antes que nova comutação ocorra. Neste ponto, a saída vai à tensão positiva máxima (+V), a referência muda para +V/2, e o capacitor inicia nova carga até que ocorra outra comutação.

Veja que a forma de onda no capacitor é aproximadamente triangular e que na saída, temos uma forma de onda retangular. Um circuito como este pode operar em frequências de até algumas dezenas de quilohertz, usando um 741.

Na figura abaixo temos os valores dos componentes para um oscilador de 1 kHz.

 

Oscilador de 1 kHz com o 741

 

Cálculos para o oscilador com Amplificador Operacional

 

Obs.: O circuito que ensinamos calcular aqui pode ser visto em funcionamento na seção de Circuitos Simulados – NE0056, do site do autor com pequenas alterações.

 

Neste artigo mostramos como calcular a frequência de um oscilador de grande utilidade para a produção de sinais de baixas frequências na faixa de alguns hertz a perto de 100 kHz. Trata-se do oscilador retangular com amplificador operacional cuja configuração é mostrada na figura abaixo.

 

Configuração básica do oscilador.
Configuração básica do oscilador.

 

 

Nesse oscilador os resistores R e R2 tipicamente mantém uma relação de 10:1, para se obter um sinal retangular de boa qualidade na saída. Os valores mostrados no circuito são típicos para amplificadores operacionais comuns como o conhecido 741. Observe que a fonte de alimentação deve ser simétrica com valores compatíveis com o amplificador operacional empregado.

A forma de onda na saída é retangular, mas na rede RC que determina a frequência temos um sinal dente de serra que corresponde à carga e descarga de C. É justamente essa rede que determina a frequência de operação do circuito.

 

Cálculos

A fórmula empírica que permite calcular a frequência desse oscilador é:

 

 

f =

 

1


6 x R x C

 

 

Onde:

f é a frequência em hertz (Hz)

C é a capacitância em farads (F)

R é a resistência em ohm (ohms)

 

Outro tipo de oscilador, que podemos elaborar com um amplificador operacional, é o que faz uso do duplo T, que já estudamos com os transistores.

No caso, basta ligar o duplo T calculado para a freqüência desejada entre a saída e a entrada inversora, conforme mostra o circuito apresentado no esquema elétrico abaixo.

 

 

Oscilador de duplo T
Oscilador de duplo T

 

 

O duplo T provoca uma defasagem no sinal, de modo a proporcionar a realimentação que mantém o circuito em operação. Os valores dados no circuito permitem a produção de um sinal senoidal de 1 kHz.

Para a elaboração de filtros usando amplificadores operacionais existem duas disposições possíveis que podem ser vistas na ilustração abaixo.

 

Figura 411 – Configurações para os filtros
Figura 411 – Configurações para os filtros

 

 

Num primeiro caso colocamos na entrada do amplificador operacional um filtro passivo que deixa passar ou bloqueia os sinais desejados. No segundo caso, o filtro propriamente dito formado por componentes passivos (resistores, capacitores e, eventualmente, indutores) é ligado entre a saída e entrada, de modo a proporcionar certa realimentação seletiva, ou seja, que depende da frequência do sinal.

 

Basicamente, existem três tipos de filtros cujas curvas podem ser vistas no próximo gráfico.

 

Tipos de filtros
Tipos de filtros

 

 

O primeiro é o filtro “passa-baixas”, que conforme o nome diz, deixa passar as frequências que estão abaixo de um determinado valor. O segundo é o filtro “passa-altas”, que deixa passar as frequências que estão acima de um determinado valor.

O terceiro filtro é o “passa-faixa” ou “passa-banda”, que deixa passar uma faixa intermediária de frequências, situada entre dois valores, ou centralizada num certo ponto do espectro. Uma variação do terceiro tipo, cuja curva poderá ser visto no gráfico abaixo, é o filtro que rejeita certa faixa, ou seja o filtro rejeitor de faixa (“notch”, em inglês).

 

Filtro rejeitor de faixa (notch)
Filtro rejeitor de faixa (notch)

 

 

Analisemos algumas configurações de filtros que podemos obter na prática, usando amplificadores operacionais. Na ilustração abaixo vemos um filtro simples “passa-baixas” cuja frequência, onde sua ação ocorre, é dada pela fórmula no próprio diagrama e depende dos valores dos resistores e capacitores usados.

 

Filtro passa-baixas com amplificador operacional
Filtro passa-baixas com amplificador operacional

 

 

Veja na figura abaixo temos um filtro “passa-altas” também bastante simples usando capacitores e resistores.

 

Filtro passa-altas com operacional
Filtro passa-altas com operacional

 

 

A fórmula que determina os valores dos componentes, em função da frequência, é dada junto ao diagrama. É importante observar que estes filtros, assim como todos os demais que existem, não possuem uma ação rápida no corte das frequências que estão acima do valor previsto.

O que ocorre é que chegando no valor calculado, por exemplo, para um filtro passa-baixas, as frequências além destes valores vão sendo gradualmente atenuadas, ou seja, bloqueadas com cada vez mais eficiência. O filtro tem uma ação “suave”, normalmente é medida em termos de decibéis por oitava (dB/oitava).

O db (decibel) é uma unidade logarítmica que serve para medir a intensidade de sinais. Para nós, como informação básica de nosso curso, basta saber que tanto mais “eficiente” é a ação de um filtro quanto maior for sua ação em dB por oitava.

Filtros mais complexos têm uma ação mais efetiva a partir da frequência para os quais são projetados. Um deles é o chamado “Butterworth”, que no caso de um amplificador operacional poderá ser visto no esquema elétrico abaixo.

 

Filtro Butterworth passa-baixas
Filtro Butterworth passa-baixas

 

 

No caso, temos um filtro “passa-baixas”, onde os valores são calculados para os componentes da maneira que já vimos nos exemplos anteriores.

Nos filtros “passa-baixas” existe um fator importante que precisa ser analisado e que é válido também para circuitos ressonantes LC.

No circuito que pode ser visto na ilustração a seguir, em que temos uma determinada frequência que deve passar, as frequências que estão muito próximas desse valor não são totalmente bloqueadas. Existe, pois uma “capacidade” do filtro em reconhecer somente a frequência que deve passar e que é medida através de um fator de qualidade ou fator Q.

 

A curva de resposta de um filtro
A curva de resposta de um filtro

 

 

Se um filtro tem um fator Q elevado, sua capacidade de diferenciar a frequência desejada das frequências próximas é grande, e ele é mais “seletivo”. Por outro lado, se o fator Q é baixo, sua capacidade de diferenciar a frequência desejada é menor e ele será menos seletivo.

No diagrama abaixo podemos ver estas diferenças na forma de gráficos.

 

Curvas de seletividade
Curvas de seletividade

 

 

Podemos aumentar o fator Q de um filtro, ligando diversas unidades em série, conforme poderemos ver na representação abaixo.

 

Aumentando a seletividade com diversas seções de um filtro
Aumentando a seletividade com diversas seções de um filtro

 

 

 

11.6. O Circuito Integrado 555

O circuito integrado 555 (também vendido como CA555, LM555, NE555, MC1555, etc.) consiste num timer de grande versatilidade, que é apresentado em invólucro DIL de 8 pinos, conforme podemos ver na representação abaixo, onde também temos o circuito equivalente interno e sua aparência.

 

O circuito integrado 555
O circuito integrado 555

 

 

Com este circuito integrado podemos fazer tanto temporizadores como osciladores, o que significa que ele opera em duas configurações básicas: monoestável e astável.

Também podemos encontrar o 555 em invólucros duplos, que contém dois 555, caso do 556 e uma versão CMOS de baixo consumo, o TLC755.

 

Monoestável

Na configuração monoestável, ele é ligado conforme o esquema elétrico abaixo.

 

 

O astável 555
O astável 555

 

 

Sua alimentação pode ser feita com tensões entre 5 V e 18 V. Com alimentação de 5 V, ele pode ser ligado diretamente a circuitos lógicos e mesmo a uma porta paralela de computador, o que permite usá-lo em aplicações que envolvam o interfaceamento com um PC.

A entrada deste integrado, que corresponde ao pino 2, deve ser mantida positiva, ou seja, com uma tensão próxima a da fonte de alimentação, o que é conseguido com um resistor cujo valor pode ficar entre 1k ohms e 1M ohms. Nestas condições, a saída do integrado (pino 3) se mantém sem tensão, ou seja, apresentando 0 V.

Se ligarmos alguma coisa como, por exemplo, um LED, uma lâmpada ou um pequeno motor na saída deste integrado, não haverá alimentação para seu funcionamento. No entanto, se por um momento ligarmos a entrada (pino 2) do integrado ao ponto de 0 V do circuito, ocorre seu disparo.

Sua saída passará então a apresentar uma tensão positiva igual a da alimentação, podendo alimentar o circuito externo, por exemplo, acendendo um LED, uma lâmpada, ativando um relé ou ainda motor.

Veja, entretanto, que a saída não permanece ativada permanentemente, mas por um intervalo de tempo que é determinado pelo capacitor C e pelo resistor R. A saída ficará “ligada” por um intervalo que é calculado pela fórmula:

 

T = 1,1 x R x C

 

Onde:

R é o valor do resistor em ohms

C é o valor do capacitor em farads

 

Se usarmos um potenciômetro no lugar de R, poderemos “ajustar” os intervalos de tempo obtidos e assim obter um temporizador.

 

Astável

Nesta configuração, o 555 funciona como um oscilador. No esquema elétrico a seguir as ligações dos componentes externos.

 

O 555 astável
O 555 astável

 

 

Como oscilador a saída passa de 0 V para positivo e depois de positivo para 0 V, voltando em seguida a positivo, num ciclo que dura enquanto houver alimentação.

A frequência em que esta mudança de nível da saída ocorre, depende dos valores de Ra, Rb e C. A fórmula que permite calcular esta frequência é:

 

 

f =

 

1,44


(Ra + 2Rb) x C

 

 

Onde

f é a frequência em hertz

Ra e Rb são os valores dos resistores em ohms

C é o valor do capacitor em Farads.

 

O pino 4 do 555 nesta configuração serve para controlar as oscilações. Se este pino estiver ligado ao positivo da alimentação como no esquema elétrico anterior, o oscilador entra em funcionamento tão logo seja ligado.

No entanto, se este pino for ligado ao 0 V, ele para de funcionar. Podemos usar este pino para “modular” o oscilador, ou seja, ligá-lo e desligá-lo compassadamente, fazendo assim aplicações intermitentes.

 

Instruções de uso do 555

Alguns cuidados devem ser observados pelos leitores que a partir de agora desejam fazer projetos com o integrado 555.

- O integrado dispara quando a tensão no pino 2 cai para 1/3 da tensão de alimentação.

- O resistor R na versão monoestável não deve ser menor que 1 k ohms, e nem maior que 2,2 M ohms.

- Na versão astável os mesmos valores da versão monoestável devem ser observados.

- O capacitor, para duas versões, não deve ser menor que 100 pF e nem maior de 1 000 µF.

- Não ligue carga na saída (pino 3) que exija mais de 200 mA do integrado. Um alto-falante, por exemplo, não pode ser excitado diretamente e nem um LED sem um resistor limitador de corrente.

- Não faça osciladores que gerem mais de 100 kHz, pois o 555 não pode passar desta frequência. O 7555 chega aos 500 kHz.

- Na versão monoestável, o resistor que polariza o pino 2 não deve estar fora da faixa de 1 k ohms a 2,2 M ohms. Levando em conta as condições acima o leitor não terá dificuldades em criar inúmeros projetos usando este integrado.

 

Índice

Introdução

Parte 1 

Parte 2

Parte 3

Parte 4

Parte 5

Parte 6

Parte 7

Parte 8

Parte 9

Parte 10 (Você está aqui)

Parte 11

Parte 12

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