O objectivo deste artigo é analisar os aspectos práticos dos amplificadores operacionais, explicar alguns dos parâmetros básicos nas suas especificações técnicas e mostrar algumas potenciais aplicações das quais são parte importante.

O amplificador operacional: um elemento modesto

Os amplificadores operacionais (OPs) surgiram na década de 1940, quando o conceito de um amplificador de tensão acoplado em corrente contínua de alto ganho empregava válvulas termiónicas. Os primeiros OP foram rapidamente adotados em diversas aplicações, desde radares a computadores analógicos, e a sua utilidade continua a crescer. Hoje em dia, os OP são a base de quase todos os dispositivos eletrónicos, desde relógios inteligentes a robôs industriais, veículos autónomos e satélites de comunicação.

Um dos amplificadores operacionais mais populares é o 741, que ainda é fabricado atualmente. Embora não seja o primeiro amplificador operacional monolítico integrado semicondutor (este título pertence ao Fairchild 702), o Fairchild µA741 tornou-se rapidamente o amplificador operacional de referência para praticamente qualquer projeto. Lançado em 1968, ainda está em produção e é comercializado por vários fornecedores em encapsulamentos compatíveis com os pinos, como a STMicroelectronics e a Texas Instruments.

Imagem 1: Esquema interno do amplificador operacional genérico de múltiplos estágios UA741CD da STMicroelectronics (fonte: ST).

Tipicamente, um amplificador operacional (op-amp) possui uma saída desequilibrada e entradas diferenciais inversoras e não inversoras. Quando utilizado como amplificador de malha aberta, o seu elevado ganho gera uma saída milhares de vezes superior à diferença de potencial entre entradas. Os amplificadores operacionais são frequentemente utilizados em configurações de malha fechada (Figura 2) com feedback negativo para limitar e controlar o ganho de acordo com os requisitos da aplicação. A tensão de saída do amplificador operacional é limitada pela tensão de alimentação, independentemente das especificações de ganho.

Imagem 2: Amplificador operacional não inversor de malha fechada com realimentação negativa através de R2 (fonte: Mouser).

O ganho do amplificador não inversor pode ser observado na imagem 2; a tensão de saída (Vout) é determinada pelo conjunto de resistências R1 e R2.

Os amplificadores operacionais podem ser configurados como amplificadores diferenciais, seguidores de tensão, diferenciadores ou integradores. São ideais para uma variedade de aplicações, sendo algumas das mais comuns os filtros ativos, conversores de nível, buffers, condicionamento de sinal, amplificação de pequenos sinais (CA/CC) e geradores de funções. Em síntese, são componentes perfeitos para praticamente qualquer dispositivo.

Para compreender o funcionamento de um amplificador operacional, é útil compreender que um dispositivo ideal teria as seguintes características:

• Ganho de tensão diferencial infinito: a tensão de saída depende apenas da tensão de entrada e do circuito de realimentação.
• Resistência de entrada infinita, pelo que não haverá corrente em nenhuma entrada.
• A resistência de saída é nula e, por isso, a carga não afeta o desempenho do amplificador.
• Largura de banda infinita, adaptando-se à corrente contínua e a qualquer frequência sem alterações de fase ou de ganho.
• Saída zero quando a entrada diferencial é zero.

Se quiser ver um infográfico útil sobre os conceitos básicos dos amplificadores operacionais e algumas configurações de circuitos populares, pode descarregá-lo da Mouser aqui: https://emea.info.mouser.com/opamp-reference?pid=Mouser&cid=TW

Os amplificadores operacionais na prática

Para compreender a teoria de funcionamento de um oscilador analógico (OA), é útil utilizar um dispositivo ideal, mas, na realidade, todos os OA possuem determinados atributos que os engenheiros devem compreender bem.

Nesta secção do artigo, iremos explicar alguns dos parâmetros mais importantes que se encontram nas especificações técnicas de um sistema de ótica adaptativa (AO). Alguns destes critérios podem influenciar diretamente o dispositivo que escolher, dependendo do tipo de aplicação.

Tensão de offset de entrada: Num amplificador operacional ideal, a saída deve ser zero quando a entrada diferencial também é zero. No entanto, devido a pequenas variações no fabrico dos dispositivos, nem todos os transístores têm portas idênticas. A tensão de offset de entrada é a tensão que deve ser aplicada às entradas diferenciais para gerar uma saída de zero volts (Vio). Os valores típicos de Vio podem variar bastante, desde alguns microvolts até centenas de milivolts. O Vio é um fator importante quando se medem tensões de entrada muito baixas, pois isso resultará numa leitura imprecisa da tensão de saída.

Corrente de polarização de entrada: Esta é a corrente indesejada que chega às entradas diferenciais. É geralmente causada por correntes de fuga e o seu valor pode variar dependendo da tecnologia de processamento, embora também possa ser gerada quando estão presentes componentes de polarização junto às entradas. Mesmo quando uma corrente de polarização de entrada (Iib) é muito pequena (tipicamente pA ou nA), pode provocar uma queda significativa da tensão dos circuitos de entrada com impedâncias elevadas, afetando assim a saída.

Produto ganho-largura de banda (GBP): Este fator ilustra o desempenho de um amplificador operacional numa gama de frequências. Normalmente, o ganho diminui gradualmente à medida que a frequência aumenta. Indica a frequência na qual o ganho cai 20 dB.

Entradas rail-to-rail: um amplificador operacional com entradas rail-to-rail pode acomodar tensões de entrada entre +Vcc e -Vcc.

Saídas rail-to-rail: tal como no elemento anterior, a tensão de saída de um amplificador operacional pode variar de +Vcc a -Vcc.

Velocidade de comutação: A velocidade de comutação determina a rapidez com que a saída do amplificador operacional pode mudar em resposta ao sinal de entrada. Em aplicações de alta frequência, este fator é crucial, pois se a saída não conseguir acompanhar a taxa de variação da entrada, o sinal será distorcido. É medida em mV/s e a tensão de saída pode variar de 10% a 90% do valor de pico (Figura 3).

Imagem 3: Medição da taxa de variação de um amplificador operacional considerando alterações no sinal de entrada (fonte: TI).

Capacitância de entrada: A capacitância de entrada de um amplificador operacional pode influenciar o seu desempenho à medida que a frequência do sinal de entrada aumenta. A importância deste fator dependerá da aplicação. Não é muito relevante na medição da tensão da bateria, mas com filtros ativos ou sinais ultrassónicos, é algo que deve ser tido em conta.

Nível de ruído: Tal como acontece com muitos componentes, os amplificadores operacionais possuem diversas fontes de ruído que podem introduzir ruído no sinal de saída quando não existe entrada, como por exemplo ruído térmico ou ruído 1/f. É recomendável escolher um amplificador operacional com baixo nível de ruído para aplicações de alto ganho e alta largura de banda.

Desvio zero: O impacto de fatores como a tensão de offset de entrada, descrita acima, depende da temperatura e do tempo. Num amplificador operacional de desvio zero, utiliza-se uma técnica de comutação ou corte de entrada para eliminar estas influências.

Consumo de corrente: O consumo de energia está a tornar-se uma prioridade em muitas aplicações, não só para otimizar a eficiência energética, mas também para prolongar a vida útil da bateria, especialmente com sensores IoT/IIdC. Os amplificadores operacionais (op-amps) têm especificações de potência muito mais baixas do que outros circuitos integrados (CIs), como os microcontroladores. No entanto, existem amplificadores operacionais com níveis de potência particularmente baixos e correntes de funcionamento tão baixas como 900 nA por entrada, que são uma escolha ideal para aplicações alimentadas por bateria.

Exemplos de amplificadores operacionais

Os fornecedores de semicondutores otimizam normalmente a sua gama de amplificadores operacionais organizando-os em diferentes categorias com base nas especificações dos dispositivos. Por exemplo, a ST divide-os em produtos de baixa potência, baixa tensão de offset de entrada, alta tensão, precisão, rail-to-rail e alta velocidade. A Analog Devices utiliza um método semelhante e identifica produtos para aplicações específicas.

A série ST TSZ121 é um exemplo de um amplificador operacional de precisão, caracterizado por um baixo offset de entrada e deriva zero. Está disponível em diversos encapsulamentos (simples, duplo ou quádruplo) e é um dispositivo de entrada/saída rail-to-rail. Pode funcionar com uma tensão de entrada entre 1,8 e 5,5 V CC, tem um consumo máximo de energia de 40 µA (a 5 V) e uma tensão de offset típica de 5 µV (a 25 °C). Esta série é ideal para aplicações portáteis e alimentadas por bateria, circuitos de condicionamento de sinal e instrumentação médica.

A imagem 4 mostra a utilização do TSZ121 no circuito de medição de corrente de um dispositivo alimentado por bateria.

Imagem 4: Exemplo de utilização do amplificador operacional de precisão ST TSZ121 para medir a corrente num dispositivo portátil: é importante selecionar um amplificador operacional com um baixo nível de tensão de offset de entrada (fonte: ST).

Um resistor shunt de precisão de 8 mΩ é colocado em série com a carga da bateria. Uma corrente de 100 mA circula através deste resistor, gerando uma tensão de 800 µV, que é aplicada às entradas diferenciais através de dois resistores de 10 Ω. A configuração do amplificador operacional tem um ganho de 1000, pelo que deveria haver 0,8 V na saída. No entanto, na prática, com uma tensão de offset de entrada de 5 µV, a tensão de saída medida é de 0,805 V. Este exemplo ilustra a importância da tensão de offset de entrada numa medição. Por exemplo, se tivéssemos selecionado um amplificador operacional com uma tensão de offset de entrada de 200 µV, o erro de medição teria sido muito maior.

Uma placa de prototipagem de baixa impedância, a STEVAL-ISQ014V1, e inclui uma resistência shunt de 30 mΩ. Além disso, para ajudar os engenheiros a desenvolver e emular circuitos de amplificadores operacionais, o eDesignSuite da ST oferece um método prático e rápido para selecionar um projeto e criar protótipos (ver Figura 5).

Imagem 5: Projeto de medição de corrente no eDesignSuite da ST com um AO TSZ121 (fonte: ST).

Os amplificadores operacionais também são frequentemente utilizados em circuitos de filtros ativos. A Figura 6 mostra o projeto de um filtro passa-banda de áudio utilizando o Assistente de Filtros do Analog Design.

Imagem 6: Projeto de um filtro passa-banda com o Assistente de Filtro de Projeto Analógico (fonte: Analog Devices).

Os parâmetros do filtro são uma frequência central de 800 Hz e uma banda de passagem de 300 Hz a 3 dB. Podemos ajustar rapidamente os parâmetros do filtro para obter a banda de passagem desejada. O passo seguinte é selecionar os componentes (ver Figura 7). Podemos aceitar as sugestões do assistente ou escolher manualmente os componentes pretendidos no catálogo de AO da Analog Devices.

Imagem 7: Esquema do circuito do filtro passa-banda com um amplificador operacional ADA4062 de baixa potência selecionado para o primeiro estágio (fonte: Analog Devices).

O ADA4062 da Analog Devices possui uma taxa de comutação típica de 3,3 V/µs, uma baixa corrente de polarização de entrada (50 pA) e uma tensão de offset de entrada de 500 µV. Pode operar com tensões de alimentação de ±5 a ±15 V e o seu consumo de energia típico é de 165 µA.

Que tal adicionar um AO ao seu próximo projeto?

Os amplificadores operacionais desempenham um papel importante em aplicações alimentadas por bateria. Graças às suas especificações de corrente ultrabaixa, podem medir ou condicionar sinais continuamente sem afetar significativamente a vida útil da bateria. São dispositivos flexíveis que podem ser integrados em qualquer projeto.

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics