O amplificador operacional é um dos componentes mais úteis da eletrônica. Isso, porque ele pode ser usado para criar diversos circuitos interessantes. Sendo assim, neste post, aprenderemos o que são os amplificadores operacionais, como funcionam e quais são suas características.

O que é o amplificador operacional

O amplificador operacional (ou amp. op.) é um componente eletrônico que, como o nome sugere, amplifica a tensão e a corrente de entrada. Isto é, o sinal de saída (corrente ou tensão) é resultado do sinal de entrada multiplicado por um certo valor (muito elevado no caso da tensão).

Acontece que, o amplificador operacional é um componente não intuitivo e que possui “regras” que o definem. Portanto, os pontos que serão apresentados adiante não possuem uma lógica clara, já que mostrarei o amp. op. de forma direta. Embora, em um tópico mais a frente, mostrarei, resumidamente, o circuito por trás dele.

Enfim, considere a imagem abaixo que mostra a simbologia do amplificador operacional com algumas nomenclaturas usuais.

Amplificador Operacional

Como pode ser visto, o amp. op. é representado com um “triângulo” com 4 entradas e uma saída. E o que cada uma significa ficará mais claro nos tópicos seguintes.

Entradas de alimentação e configurações

Duas entradas do amp. op. servem para alimentar o circuito interno do amplificador, que são o Vcc e o Vee. Estas entradas também definem os limites de tensão da saída. Isto é, a tensão de saída só poderá variar entre Vee e Vcc. Sendo Vee o limite inferior e Vcc o limite superior. Por conta disto, Vcc é uma tensão positiva e Vee é uma tensão negativa.

É importante lembrar que deve existir um referencial (terra), assim como em qualquer circuito. E as tensões (entradas e saída) são relativas à ele.

De todo modo, existem duas formas comuns de alimentar o amp. op., que são:

Fonte simples

Nesta configuração, uma única fonte é usada e Vee é ligado ao negativo desta fonte que é o terra. Com isto, a tensão de saída varia entre 0 e Vcc. A imagem abaixo mostra o circuito desta configuração com a nomenclatura usual das tensões de entrada e saída.

Amplificador operacional com fonte simples

Esclarecendo a nomenclatura das tensões:

  • vP – Tensão da entrada não-inversora (referida ao terra).
  • vN – Tensão da entrada inversora (referida ao terra).
  • vD – Diferença de potencial entre a entrada não-inversora e a entrada inversora.
    • vD = vP – vN
  • vO – Tensão de saída (referida ao terra).
  • Vcc – Tensão da fonte (referida ao terra).

Fonte dupla

Nesta configuração, duas fontes são usadas, uma para fornecer uma tensão positiva (Vcc) e outra para uma tensão negativa (Vee). Sendo que as duas são interligadas para gerar o referencial. É comum de se utilizar fontes de tensões iguais para gerar uma simetria na saída, por exemplo +12V e -12V. Veja o circuito desta configuração abaixo:

Amplificador operacional com fonte dupla

Apesar da importância das entradas de alimentação, é usual desenhar o amplificador operacional sem elas e considerar que ele está sendo alimentado por duas fontes simétricas (ex: +15V e -15V ou +12V e -12V).

Circuito equivalente do amplificador operacional

Para começar a entender o amplificador operacional, vamos analisar o seu circuito equivalente. Este circuito é um modelo (representação) do funcionamento do amp op. E ele está apresentado adiante:

Circuito equivalente do amplificador operacional

Vale lembrar que as tensões são todas referidas ao terra (com exceção de vD).

Então, a partir da imagem acima, é possível ver que o circuito de entrada nada mais é do que uma resistência (RI) que interliga a entrada inversora e a não-inversora.

Além dele, temos, na saída, uma fonte de tensão dependente em série com uma resistência (RO). E a tensão desta fonte é dada pela seguinte expressão:

Avol*(vD-Vos)

Sendo que Vos é uma tensão chamada de offset.

Ou seja, a tensão no ramo de saída é igual a tensão de entrada (vD) multiplicada por um valor (Avol) chamado de ganho. Isso caracteriza a amplificação do sistema, conforme foi comentado no inicio deste post. A tensão de offset, como o nome sugere, serve para deslocar a tensão de saída em relação à entrada.

Este circuito ficará mais claro nos tópicos seguintes.

Função de transferência

Diante da expressão do tópico anterior, é possível esboçar uma curva da tensão de saída em função da tensão de entrada, chamada de função de transferência. Analise a imagem abaixo com calma.

Função de transferência do amp op

A partir do gráfico acima, podemos fazer alguns comentários:

  • A tensão de saída não varia exatamente entre Vee e Vcc, como eu havia dito. A tensão máxima (VOmáx) e a mínima (Vomín) serão um pouco menor devido a queda de tensão em cima da resistência de saída (RO) do amp op.
    • Para um circuito sem “perdas” (RO = 0), aí sim a saída irá variar entre Vee e Vcc.
  • A condição em que a tensão de saída atinge seu valor máximo ou mínimo é chamada de saturação. Isto é, aumentar vD não provoca nenhum efeito se vO atingiu o valor máximo, e diminuir vD não provoca nenhum efeito se vO atingiu o valor mínimo.
  • Além da saturação, existe a região linear da curva, que é uma região de interesse quando se trabalha com o amplificador operacional.
  • A inclinação da reta na região linear é definida pelo ganho (Avol).
    • Avol = vO/vD (De forma simplificada).
  • A tensão de offset (Vos) desloca a curva no eixo horizontal.

Características de um amplificador operacional

Amplificador ideal

Tendo em vista o que foi apresentado nos tópicos anteriores, já é possível ter uma boa ideia do funcionamento do amplificador operacional. Mas, ainda é possível simplificar o circuito dele de forma a facilitar as análises futuras.

Esta simplificação envolve em criar um modelo ideal do amp. op., o qual pode ser utilizado para desenvolver muitos circuitos práticos. Mas, é claro que, mesmo sendo uma simplificação válida, não pode-se deixar de lado o comportamento não ideal de um amplificador operacional real.

Enfim, um amplificador ideal possui as seguintes características:

  • RI -> ∞ (tende ao infinito)
    • Isto significa que a corrente de entrada é igual a 0. Ou seja, não há circulação de corrente na entrada inversora e nem na não-inversora.
  • Ro = 0
    • Com isto, a malha de saída consistirá apenas da fonte de tensão dependente. E, conforme mencionei, para este caso, a tensão de saída irá variar entre Vee e Vcc.
    • Vomáx = Vcc
    • Vomín = Vee
  • Vos = 0 (tensão de offset é nula)
    • Isso faz com que a função de transferência fique centralizada.
    • E, nesta condição, vO = 0 para vD = 0.
  • Avol -> ∞ (o ganho tende ao infinito)
    • Se o ganho é infinito, então, para qualquer valor de vD diferente de 0, o amplificador irá saturar. É como se a região linear não existisse.
  • O amplificador operacional apresenta o mesmo comportamento independente da frequência do sinal de entrada.
    • Em termos técnicos, ele possui uma largura de banda infinita.

Amplificador real

Conforme citado, é interessante conhecer o amplificador real para ter uma boa noção da resposta de circuitos reais. Sendo assim, vou me basear no datasheet de um amplificador comumente usado, o LM741.

  • RI é um valor elevado.
    • No caso do LM741, o RI típico é igual a 2MΩ. E a corrente de entrada típica será de algumas dezenas de nanoamperes.
  • Ro é um valor muito pequeno.
    • Mesmo assim, ainda haverá diferença entre Vomáx e Vcc ou Vomín e Vee.
    • No caso do LM741, essa diferença pode chegar a uns 2 volts (depende do circuito ligado à saída e da tensão de alimentação).
  • Vos é um valor pequeno.
    • No caso do LM741, o Vos típico é igual a 1mV.
    • Portanto, vO não será 0 se vD for 0.
  • Avol é um valor elevado.
    • No caso do LM741, o ganho típico é de 200000.
    • Mesmo não tendendo ao infinito, é um ganho elevadíssimo, pois 75μV já são suficientes para saturar o amp op para Vcc = 15V (75μ * 200000 = 15V).
  • O comportamento do amplificador operacional será consistente apenas para uma limitada faixa de frequência do sinal de entrada.
    • No caso do LM741, a largura de banda típica é de 1,5MHz.
    • O efeito prático disso é que o ganho diminuirá quanto maior for a frequência do sinal aplicado na entrada.
  • Além do mencionado, um amp. op. real não é capaz de variar a tensão de saída instantaneamente. Na realidade, ele possuirá um parâmetro que diz quantos volts ele consegue variar em 1 microssegundo, chamado de Slew rate.
    • No caso do LM741, o Slew rate é de 0,5V/μs.
    • Este parâmetro é importante em aplicações onde o amplificador precisa responder rapidamente.

Realimentação e curto-circuito virtual

Na hora de criarmos circuitos com o amplificador operacional, veremos que muitos deles ligam a entrada e a saída por meio de um resistor, capacitor, indutor etc. E este tipo de ligação é chamada de realimentação, pois a saída está sendo “realimentada” na entrada.

Existem dois tipos de realimentação, a positiva e a negativa. A realimentação negativa ocorre quando a saída é ligada na entrada inversora. E, quando a saída é ligada na entrada não-inversora, é chamado de realimentação positiva.

Com isto, podemos passar para um conceito muito importante na análise dos circuitos com amplificador operacional, que é o curto-circuito virtual. Para isto, vamos escrever a expressão da tensão de saída do amplificador ideal:

vO = Avol*vD

vO = Avol*(vP-vN)

vO/Avol = vP-vN

Como Avol tende ao infinito, então a relação vO/Avol tenderá a 0:

vO/Avol = 0 = vP – vN

vP – vN = 0

vP = vN

Nesse sentido, a tensão da entrada inversora será igual a da entrada não-inversora. Portanto, é como se houvesse um curto-circuito entre estas duas entradas. Mas não é um curto-circuito propriamente dito, pois as duas não estão interligadas diretamente, por isto é chamado de curto virtual.

Esta análise é ideal, mas é suficientemente exata para a maioria das aplicações práticas. E ela só pode ser seguida se duas condições forem cumpridas:

  • O amplificador não estiver saturado.
  • Se a realimentação for negativa.

Circuito por trás do amplificador operacional

Anteriormente, mostrei um circuito que modela o amplificador operacional, mas aquele circuito é apenas um modelo simplificado. Um amp. op. real é, na verdade, um arranjo de transistores, sejam eles do tipo BJT, J-FET ou MOSFET. Para ilustrar com um exemplo real, a imagem abaixo mostra o circuito interno do amplificador LM741.

Circuito por trás do LM741
Fonte: Datasheet do LM741

Para aprender a usar o amplificador operacional para criar circuitos úteis e interessantes, veja o post sobre [sai dia 1 de julho].