O que é um amplificador operacional e como funciona?

Um amplificador operacional (op-amp) é um componente eletrônico versátil e amplamente utilizado que desempenha um papel crucial no processamento de sinais analógicos e em circuitos de amplificação. É um amplificador de tensão de alto ganho com entradas diferenciais e uma única saída. Os amplificadores operacionais são caracterizados pela capacidade de amplificar a diferença de tensão entre os dois terminais de entrada.

Principais características de um amplificador operacional:

  1. Entradas Diferenciais:
    • Os amplificadores operacionais têm dois terminais de entrada, comumente rotulados como entradas inversoras (-) e não inversoras (+). A diferença de tensão entre essas entradas determina a saída do amplificador.
  2. Alta impedância de entrada:
    • Os amplificadores operacionais normalmente têm uma impedância de entrada muito alta, o que significa que consomem corrente mínima da fonte do sinal de entrada.
  3. Baixa impedância de saída:
    • Os amplificadores operacionais têm uma impedância de saída baixa, permitindo que forneçam uma corrente relativamente alta à carga conectada.
  4. Alto ganho em malha aberta:
    • O ganho de malha aberta de um amplificador operacional é extremamente alto, muitas vezes excedendo 100.000. Isso significa que mesmo pequenas diferenças de tensão nas entradas podem levar a grandes tensões de saída.
  5. Sinais Diferenciais e de Modo Comum:
    • Os amplificadores operacionais amplificam a diferença entre as entradas inversoras e não inversoras (modo diferencial) enquanto rejeitam os sinais de modo comum (sinais presentes em ambas as entradas com a mesma tensão).
  6. Feedback negativo:
    • O feedback negativo é um recurso comum em circuitos de amplificadores operacionais. Envolve alimentar uma parte do sinal de saída de volta à entrada inversora. O feedback negativo estabiliza o desempenho do amplificador, reduz a distorção e melhora a linearidade.

Circuito Interno:

O circuito interno de um amplificador operacional pode incluir os seguintes componentes:

  1. Amplificador Diferencial:
    • O núcleo de um amplificador operacional é um amplificador diferencial, que amplifica a diferença de tensão entre as entradas inversoras e não inversoras.
  2. Estágio de alto ganho:
    • Um estágio de alto ganho amplifica ainda mais a tensão diferencial. Este estágio contribui para o alto ganho geral de malha aberta do amplificador operacional.
  3. Estágio de saída:
    • O estágio de saída é responsável por entregar o sinal amplificado ao circuito externo. Geralmente inclui uma configuração push-pull para entrega eficiente de corrente.
  4. Rede de compensação:
    • Redes de compensação interna são usadas para estabilizar o amplificador operacional e evitar oscilações de alta frequência.

Modos de amplificador operacional:

  1. Amplificador inversor:
    • Nesta configuração a saída é invertida em relação ao sinal de entrada. Isso é conseguido conectando o sinal de entrada à entrada inversora (-) e fornecendo feedback da saída para a entrada inversora.
  2. Amplificador não inversor:
    • O sinal de saída está em fase com o sinal de entrada nesta configuração. A entrada é conectada à entrada não inversora (+) e o feedback é aplicado da saída para a entrada inversora.
  3. Comparador:
    • No modo comparador, o amplificador operacional é usado para comparar duas tensões de entrada. A saída alterna entre os estados alto e baixo com base nas magnitudes relativas das entradas.
  4. Integrador e Diferenciador:
    • Usando componentes adicionais, os amplificadores operacionais podem ser configurados como integradores ou diferenciadores para realizar operações matemáticas nos sinais de entrada.

Operação:

  1. Diferença de entrada:
    • O amplificador operacional amplifica a diferença de tensão entre suas entradas inversoras e não inversoras.
  2. Tensão de saída:
    • A tensão de saída (�outVout​) é proporcional à diferença de tensão de entrada (�in, diffVin, diff​) multiplicada pelo ganho de malha aberta (�OLAOL​).

    �out=�OL⋅�in, diffVout​=AOL​⋅Vin, diff​

  3. Feedback negativo:
    • Em circuitos com realimentação negativa, parte da tensão de saída é realimentada para a entrada inversora. Esse feedback, quando projetado corretamente, estabiliza o circuito, define o ganho de malha fechada e garante operação linear.

Aplicativos:

Os amplificadores operacionais encontram aplicações em vários circuitos eletrônicos, incluindo:

  • Amplificadores: usados ​​para amplificação de sinal.
  • Filtros: empregados em circuitos de filtros ativos.
  • Comparadores: usados ​​para comparação de sinais.
  • Osciladores: empregados em osciladores para geração de sinal.
  • Operações Matemáticas: configuradas como integradores e diferenciadores de operações matemáticas.

Conclusão:

Os amplificadores operacionais são blocos de construção fundamentais na eletrônica analógica, oferecendo alto ganho, funcionalidade versátil e compatibilidade com feedback negativo para operação estável. Seu amplo uso em diversas aplicações os torna a base do projeto de circuitos eletrônicos. Compreender os princípios de operação do amplificador operacional é crucial para projetar e analisar circuitos analógicos.

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