As características de elevadíssima resistência de entrada, baixíssima corrente de consumo, baixo nível de ruído e baixa tensão de alimentação fazem dos amplificadores operacionais com transistores de efeito de campo na entrada componentes destinados a preencher uma gama de aplicações muito ampla, em que os amplificadores convencionais não podem oferecer o mesmo desempenho. Neste artigo, baseado em documentação técnica da Texas lnstruments, focalizamos as características destes amplificadores, tomando por base a série TL de BiFets de fabricação nacional e largamente usados em muitos projetos.
Nos amplificadores operacionais BIFET encontramos combinados transistores de efeito de campo JFET com transistores bipolares numa única pastilha, ou seja, trata-se de uma montagem monolítica.
O processo de implantação iônica usado para fazer os transistores BIFET resulta em componentes de características muito próximas, ou transistores muito bem casados.
Isso significa uma operação verdadeira em classe A-B na etapa de saída, com uma distorção por cross-over quase nula, assim como uma distorção harmônica muita baixa.
Os transistores de efeito de campo se caracterizam ainda por uma impedância muito alta de entrada, que reflete diretamente nas características de entada do amplificador operacional.
Esta impedância é da ordem de 1012 ohms e as correntes de polarização de entrada se situam na faixa dos picoampères.
A maioria dos amplificadores operacionais apresentam taxas de crescimento de 13Vlus e uma faixa típica para ganho unitário de 3MHz.
Entretanto, é preciso levar em conta que as tensões de offset destes amplificadores, assim como o nível de ruído de entrada é maior do que nos amplificadores operacionais com transistores bipolares.
Alguns amplificadores operacionais BIFET possuem um ajuste de potência, feito através de um resistor externo, que permite a seleção do nível de corrente de operação.
Ao mesmo tempo em que este controle permite ajustar melhor a dissipação de potência, também significa um controle maior sobre a faixa de frequências de operação.
Um exemplo de amplificador operacional com estas características é o TL066 BIFET da Texas Instruments, que pode ser ajustado para uma corrente sem sinal de 5 a 200uA.
A taxa de crescimento e a faixa de operação vão mudar também com o nível de corrente de operaçã0, exceto pela possibilidade de um ajuste de corrente, o TL066 é similar ao TL061, também da Texas Instruments.
O principal uso para este tipo de amplificador operacional é em equipamentos der telecomunicações alimentados por bateria, onde o consumo de energia é um fator de grande importância no projeto.
Na tabela temos as Características dos principais amplificadores operacionais BIFET da Texas, com os parâmetros de maior importância.
Observamos que, nesta tabela, as diferenças dos elementos de cada famíIia se referem ao número de operacionais por invólucro como base.
AMPLIFICADORES OPERACIONAIS LinCMOS
O processo denominado “Linear siIicon-gate CMOS”, desenvolvido pela Texas Instruments, resultou numa família de componentes com o nome registrado “LinCMOS“.
Estes componentes combinam as características da alta velocidade dos amplificadores operacionais com transistores bipolares com a baixa corrente de consumo, alta impedância de entrada e baixa tensão de operação dos componentes CMOS.
Os r componentes LinCMOS apresentam as características de melhor offset e excursão de tensão do que muitos equivalentes com transistores bipolares e, além disso, superam as limitações de estabilidade e faixa de frequências impostas nos projetos de circuitos lineares com elementos CMOS de porta metálica.
Offsets ultra-estáveis
A primeira desvantagem de se usar elementos bipolares convencionais de porta metálica CMOS em aplicações lineares são os deslocamentos indesejáveis dos limiares de tensão que ocorrem Com o tempo, com variações de temperatura e tensões de comporta.
Estes deslocamentos, causados pelo movimento de íons de sódio no interior dos transistores do integrado, são frequentemente de intensidade maior que 10 mV/V da tensão aplicada na comporta.
Entretanto, com a tecnologia LinCMOS, este problema é superado com a substituição das portas metálicas por portas com poIisilício dopado com fósforo, o que prende os íons de sódio.
O resultado é a produção de circuitos integrados lineares com baixas tensões offset de entrada (2 a 10 mV) e que variam muito pouco em torno dos valores originais.
As séries TL0251 e TLCZ71 de amplificadores operacionais de uso geral, possuem baixas tensões offset de entrada e tipicamente variam somente 0,1 uV por mês, e 0,7 uVv por grau Celsius.
A tensão offset extremamente baixa pode ser reduzida ainda mais pela utilização das entradas de ajuste de nulo existentes no componente.
Ao contrário dos dispositivos CMOS de porta metálica, a entrada dos dispositivos LinCMOS não é sensível à tensões excessivas de entrada.
Faixas largas de frequência Além de fornecer tensões de offset de entrada estáveis, a tecnologia LinCMOS produz ainda dispositivos com faixas de frequências que são duas a três vezes mais amplas do que as dos equivalentes de porta metálica.
Isso ocorre porque as portas de silício nos transistores LinCMOS são formadas durante a mesma fase do processo em que são formadas a fonte e o dreno.
Como resultado, a fonte, porta e dreno são auto-alinhados.
Em contraste, as portas metálicas são formadas depois da difusão da fonte e do dreno, necessitando assim de um processo adicional para alinhamento da fonte, porta e dreno.
Os transistores LinCMOS com portas auto-alinhadas possuem uma capacitância porta-dreno que é aproximadamente um sétimo da encontrada num circuito integrado CMOS com porta metálica.
Isso aumenta a faixa de operação e velocidade dos componentes LinCMOS
O TLC251 e o TLCZ71, amplificadores operacionais LinCMOS, oferecem uma faixa de operação de 2,3 MHz e um tempo de crescimento de 60 ns, com 25% de “overshoot”, e uma taxa de crescimento de 4,5V/ps.
Estas velocidades são melhores que as da maioria dos amplificadores operacionais bipolares, e muitas vezes maiores que as dos equivalentes CMOS de portas metálicas.
Vantagens dos amplificadores operacionais LinCMOS
As séries de amplificadores operacionais TL251 e TL271 fornecem uma baixa tensão de offset de entrada (10 mV máximo), o que mantém uma alta estabilidade com o tempo e temperatura e não é sensível à sobrecargas de tensão
Estes amplificadores também podem ser obtidos com tensões mais estreitas de offset de entrada e garantidas pelo fabricante.
Os amplificadores operacionais das séries TLC251 eTL0271 podem ser ajustados para operar com polarização baixa, média ou alta.
Para isso, basta conectar o pino de seleção de polarização ao Vdd para polarização baixa; à terra para polarização alta ou então a uma tensão de metade de Vdd para polarização.
Pela escolha da polarização apropriada pode-se selecionar o tipo de performance e consumo de potência, de acordo com as necessidades do projeto.
Quando operando com polarização alta, num Vdd igual a 10V estes componentes drenam uma corrente de 100 uA (Idd) para 10 mW de dissipação e fornecem uma taxa de crescimento de 4,5V/uS e uma faixa passante de 2,3MHz.
Na polarização baixa, com Vdd = 10 V e Idd de 10 uA, que resulta numa dissipação de 100 uW, a taxa de crescimento do componente é de 0,04V/us e a faixa passante de 100 kHz.
Na polarização baixa e com uma alimentação de 1V, o TL0251 consome apenas 10 uW, o que o torna ideal para aplicações em que a fonte de alimentação é uma bateria.
O pino de polarização pode ser ativado a partir de sinal lógico de um microprocessador, o que torna as condições operacionais controláveis a partir de um software.
Características adicionais do TLC251 e TLC271 incluem uma taxa de rejeição em modo comum de 88dB e um ruído de entrada da ordem de 30 a 70 nV/VHz (dependendo do tipo de polarização, se alta, média ou baixa).
Todas estas características tornam os amplificadores operacionais da série TLC251 e TL0271 aplicáveis numa amp!a gama de circuitos, como filtros ativos, interfaceamento de transdutores, drivers de corrente, conversores tensão-corrente, timers de longos intervalos e muitos tipos de amplificadores.
As séries TL0251 e TL0271 são, particularmente, recomendadas para projetos de baixa potência e instrumentação, que necessitam de offsets estáveis
Quando usando estes operacionais para projeto, as seguintes características devem ser consideradas.
- Tensão de alimentação (Vdd) TLC251 1 V a 16 V TLCZ712 4V a16V
- Fonte de alimentação simples ou no máximo de 8-0-8 V
- Corrente de alimentação ajustável
- Polarização baixa: 10 uA (típico)
- Polarização média: 150 uA (típico)
- Polarização alta: 1000 uA (típico)
- Polarização de entrada extremamente baixa e correntes de offset : 1uA (típico)
- Baixa tensão de offset de entrada: 3 mV (típico)
- Tensão de offset de entrada uItra-estável : 0,1¡uV por mês (típico)
- Ruído de 30 nVHz (típico)
- Taxa de crescimento (SR)
Polarização alta: 4,5V/us (típico)
- Polarização média: 0,6V/us (típico)
Polarização baixa: 0,04V/us (típico)
- Faixa passante (BW)
Polarização alta:: 2,3 MHz
Polarização média: 0,7 MHz
Polarização baixa: 0,1 MHz
Na figura 1 damos as identificações de alguns elementos desta família de integrados da Texas Instruments.
Na figura 2 damos um pré-amplificador com TLC251 para microfone de baixa e média impedância, usando uma fonte de alimentação de apenas 1,5V.
A polarização deste pré-amplificador determina sua curva de resposta, mostrada na figura 3.
A polarização baixa é obtida aplicando-se uma tensão de 1,5V ao pino 8.
Para polarização média aplicamos uma tensão de 0,75V e para polarização baixa, fazemos sua conexão à terra.
Como se trata de aparelho extremamente compacto, ele pode ser montado junto ao próprio microfone.
A bateria recomendada é do tipo de mercúrio, de 1,5V, que terá enorme durabilidade em vista do baixo consumo de corrente do amplificado conforme já vimos.
Quando operando na condição de baixa polarização (1,5V no pino 8), a corrente drenada é de apenas 10 uA e sua resposta de frequência é de -3dB entre 27 Hz e 4,8 Hz.
Com o pino 8 aterrado, o que determina a condição de polarização alta,o limite superior sobe até 25 kHz e a corrente drenada da fone sobe para apenas 30 uA.
Operando com uma polarização ala e 5V de alimentação a corrente exigida por este pré-amplificador é de apenas 500 uA.
Na figura 4 temos uma outra aplicação para outro membro da família linCMOS, que é TL071.
Trata-se de um multivibrador astável básico que utiliza pouquíssimos componentes externos.
Quando este circuito é ligado, o off-set natural do dispositivo serve como elemento de partida.
Assumindo que a tensão de saída Vo vai ao nível alto e a realimentação positiva, através de RT e R2, força a saída à saturação, o nível alto de tensão na saída carrega, então, C, através de R3, até que a tensão na entrada inversora supere a tensão na entrada não-inversora.
Quando isso ocorrer, a saída comuta para o nível baixo de saturação, o que faz com que o capacitor inicie sua descarga até um novo nível de tensão, que força à nova comutação.
Com níveis de saída e entrada iguais, o TL071 consegue produzir um sinal com ciclo ativo de 50% em sua saída
O período total de um ciclo é dado por:
T = 2 x (R3) x C x 1n (1+ 2.R1/R2)
Na figura 5 temos um filtro rejeitor de 60Hz usando um TL0271.
O duplo T se encarrega de fixar a frequência de rejeição de acordo com a característica mostrada no gráfico da figura 6.
Estes filtros podem operar com tensões de alimentação muito baixas e em frequências igualmente baixas com ótimo rendimento.
Como necessitam de poucos componentes, podem ser facilmente instalados em espaços reduzidos.
Todos os resistores e capacitores deste filtro devem ser cuidadosamente casados.
O TLCZ71 tem uma corrente de polarização de entrada de apenas 1 pA e não gerará tensões offset de entrada adversas mesmo com uma impedância de entrada de 20 M.
O ripple de baixo nível de 60 Hz também pode ser atenuado pela capacidade do TLC271 de trabalhar com sinais no potencial de terra mesmo com fonte de alimentação simples.
CONCLUSÃO
As aplicações para os amplificadores operacionais com transistores de efeito de campo de entrada, especificamente os LinCMOS da Texas Instruments, são ilimitadas.
Neste artigo demos apenas alguns exemplos, mas no site existem outros exemplos de aplicação para estes componentes.
