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Baixe Eletrônica Analógica - Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos - 6a Edição PERTENCIO e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Nuclear, somente na Docsity!
AMPUECADORES UNA! =: ANTONIO PERTENCE JÚNIOR P468e Pertence Júnior, Antonio Eletrônica analógica: amplificadores operacionais e filtros ativos: teoria, projetos, aplicações e laboratório / Antonio Pertence Júnior. Porto Alegre: Bookman, 2003. ISBN 978-85-363-0190-7 1. Eletrônica = Amplificadores. |. Título CDU 621.375/.9 Catalogação na publicação: Mônica Ballejo Canto — CRB 10/1023 & Artmed Editora S.A., 2003 Capa: GUSTAVO MACRI Revisão de texto: ANTÔNIO PAIM FALCETTA Supervisão editorial: ARYSINHA JACQUES AFFONSO Editoração eletrônica e pré-flight: GRAFLINE EDITORA GRÁFICA Reservados todos os direitos de publicação, em lingua portuguesa, à ARTMEDS EDITORA S.A. (BOOKMAN? COMPANHIA EDITORA é uma divisão da ARTMED? EDITORA S.A.) Ay. Jerônimo de Ornelas, 670 - Santana 90040-340 Porto Alegre RS Fone (51) 3027-7000 Fax (51) 3027-7070 É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web e outros), sem permissão expressa da Editora. SÃO PAULO Av. Angélica, 1091 - Higienópolis 01227-100 São Paulo SP Fone (11) 3665-1100 Fax (11) 3667-1333 SAC 0800 703-3444 IMPRESSO NO BRASIL PRINTED IN BRAZIL Só quem escreve um livro com seriedade... Só quem escreve um livro com responsabilidade... Só quem escreve um livro com experiência de vida... Sabe o quanto é difícil escrever um livro! (APJ) Para Eneida, Vanessa e Adiene, porque vocês fizeram o motivo e a diferença. Para minha tia Maria da Piedade Ferreira Pinto (in memoriam) pelo muito que me ensinou. Para minha mãe, Elvira de Assis Martins Pertence, pelo constante carinho e incentivo, Para Emmanuel, meu filho, uma nova força e uma nova luz em minha vida... (APJ) AGRADECIMENTOS Desejo expressar meu agradecimento a todos que colaboraram comigo neste projeto mas, principalmente, às pessoas listadas abaixo, em ordem alfabética, pois elas participaram de forma especial: À equipe da Bookman Editora, por acreditar na qualidade desta obra. Guilherme Moutinho Ribeiro, pelos seus constantes gestos de apoio e incentivo, Juarez L. Boari, pela amizade e colaboração. Lindomar €. Silva, pela paciência e senso analítico. Rita de Cássia Oliveira, por ter compreendido meus hieróglifos. Robson José Durães, amigo, incentivador e grande batalhador pelo desenvolvimento do ensino tecnológico. Wilson L. M, Leal, ex-diretor industrial da SID Microeletrônica S.A., pela autorização dada ao autor para reproduzir as folhas de dados sobre circuitos integrados. ELETRÔNICA ANALÓGICA: AMPLIFICADORES OPERACIONAIS E FILTROS ATIVOS melhorá-lo continuamente em uma atitude de respeito aos colegas, aos alunos e aos profissio- nais que o utilizam. Finalmente, esperamos continuar recebendo os comentários e críticas dos usuários des- te texto. As correspondências poderão ser dirigidas ao autor através da editora ou do seguinte email: pertencechair O vaivip.com.br. Por essa ajuda antecipadamente agradecemos. APJ SUMÁRIO PARTE 1 AMPLIFICADORES OPERACIONAIS 1 Conceitos fundamentais 17 1.1 O amplificador operacional (AOP) .......... ie 1.2 Conceito de tensão de offset de saída .. 1.3 Ganho de tensão de um amplificador... a ER 14 Comentários sobre as características de v um n amplificador. 1.5 Alimentação do AOP... epiicta used ; 1.6 Conceitos de décadas e oitavas APRSRRD DOS DES DES 17 Exercícios resolvidos .........eecaeenenercacerenerererareeeaersaemeaeaenars 1.8 Exercícios de fixação .......... eee rneerecarenearaenernenrarrerarrentesa 2 Realimentação negativa (RN) 29 21 Modos de operação do AOP .. 2.2 Amplificador genérico com RN .. EE 2.3 Conceito de curto-circuito iivále e erra ii pediçuisdro 2.4 Curva de resposta em malha aberta e em malha fechada eetreciçe lo) Slew-rate .. 2.6 Saturação ... sEnenddrtas ennTaReR Ea 2 Outras vantagens da RN. esmnaãe 2.8 Fregiiência de corte e taxa de: atennação .. 2.9 Rise-time (tempo de subida) .. DT 2.10 Quershool ...ceenornoneormoraresneererereracronasenarares neano oensom a saen coreana casssaoneneraos 211 Exercicios resolvidos uu ciais a ss Dina 210 Exercicios de Nação ssa na 3 Circuitos lineares básicos com AOPs 51 3.1 O amplificador inversor . 32 O amplificador não-inversor . opaca nom psiagamsi aa 33 Considerações práticas e tensão ide BBEL. as casaca sans 3.4 O seguidor de tensão (buffer)... eemsneeeaeecerererranecea 2a Associação de estágios não-interagentes em cascata... 3.6 O amplificador somador .....menmercess 3.7 O amplificador somador não-inversor ............seseeeeeersenecaeeaesa 3.8 O amplificador diferencial ou subtrator .......cemeseeerereensermermeno 51 53 54 55 59 60 61 62 SUMÁRIO 13 PARTE 2 FILTROS ATIVOS 7 Filtros ativos I: Fundamentos 161 7.1 Definição ... peiesmeaea E Vantagens é desvaniageid: dos! filtros a ativos .. nanasa aaa a CASSINCAÇÃO: amosra cosmesrens GCI Danda cd RegraR ane cs 7.4 Ressonância, fator Q, e seletividade .......... e eeeeeeeeeereesees 7.5 Filtros de Butterworth ........iseseeseeeerensarenener trata coneesesneerasanssscerasa 7.6 Filtros de Chebyshev ........enececenereerenaereeerenerarnaserereraneenesraerves 74 Filtros de Cauer ou elípticos ............ sei ceesereesrereeeesteerarareeea 7.8 Defasagens em filtros ........ : 7.9 Exercícios resolvidos saias nasc emanada “IO Exercicios de Axação secas sacar sspuasas quenincaçaesora sessao Filtros ativos II: Projetos 181 8.1 Estruturas de implementação ...........ssccesseneeeacereererinmeaeaçeno 8.2 Biltros passa-balKas ua ecsenace crmadea care cenoasaananimaia nogendtesiiomca qa caia 8.3 Piltris PaGsasaMAS aspas csea pospierantas sspuesirasaapagearaa cics nieageto ganga aged 8.4 Filtros de ordem apense Fa RdsiaTia) Vá é 8.5 Filtros passa-faixa ... 8.6 Filtros rejeita-faixa .. E ETEVT ET 8.7 Circuitos deslocadores de fase. a lISo pe nios o a nS 8.8 Hiltrosiativos infestados usas Sa 8.9 Considerações práticas ==. sa saga Eos nn 8.10 Tabelas para projetos «us. sisiusaaaasi maia eso çguitnisco naus assiroasaçãas Sell: —PRerticias PesOlVITOS saasarasarta mansa aaaa ra on nations Blz Exercicios de Aixação suas ii criara standard a cassada PARTE 3 EXPERIÊNCIAS E PROJETOS 9 10 Experiências com AOPs (laboratório) 213 Observações importantes relativas às práticas de laboratório... Primeiro Grupo: Experiências de 1 à 17......ieeeeenieeaeserereeresereenaraeeera Segundo Grupo: Experiências de 18 a 22... uia casemeorsecanncariirato Projetos orientados 243 Projeto | Projeto 2 Projeto 3 Projeto 4 Projeto 5 Projeto 6 Fonte simétrica... g susossogantuaias Indicador de balânceamênto dê ponei Interface Opuca para TEL a ononaascuarcaransa nara aaa Fotocontrole para relé... sanedr teares Circuito prático de um arnplificador. logrímico Corpus Amplificador de ganho programável... 161 162 162 167 169 171 174 175 176 178 181 182 187 191 193 196 198 201 202 203 205 209 214 215 236 243 244 245 245 247 248 14 ELETRÔNICA ANALÓGICA: AMPLIFICADORES OPERACIONAIS E FILTROS ATIVOS A O amplificador diferencial 249 APÊNDICES Al AZ A3 A4 AS B c D E F Considerações básicas... Diagrama em blocos do AOP.. QUE eTugn ana a a aq Análise do amplificador diferencial básico ............ sie Tensão de das de entrada e tensão offset de saída... Conclusão .. Problemas analíticos 255 Folhas de dados do CA741, CA747 e CAI458 273 Folhas de dados do CA324 281 O temporizador 555 e folhas de dados 287 Folhas de dados do AOP PA46 da APEX 295 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 301 ÍNDICE 303 249 250 251 254 254 — >>>" NWV*— Capítulo 1 — CONCEITOS FUNDAMENTAIS Este capítulo inicial aborda alguns tópicos que irão servir de base para nossos estudos sobre os amplifica- dores operacionais (AOPs), especialmente o conceito de ganho de tensão e as explicações sobre as características ideais de um amplificador. 1.1 O AMPLIFICADOR OPERACIONAL (AOP) Definição O AOP é um amplificador CC muliestágio com entrada diferencial cujas caracterís- ticas se aproximam das de um amplificador ideal. No Apêndice À fazemos um pequeno estudo do amplificador diferencial, bem como da estrutura interna do AOP. Sugerimos, neste ponto, a leitura deste apêndice para uma melhor compreensão da definição, Características ideais de um AOP: a) resistência de entrada infinita; b) resistência de saída nula; c) ganho de tensão infinito; d) resposta de fregiiência infinita (CC a infinitos Hertz); e) insensibilidade à temperatura (drift nulo). Observação: No subtítulo 1.4 explicaremos detalhadamente cada uma dessas características, utilizando um amplificador de tensão genérico. Aplicações dos AOPs É muito difícil enumerar a totalidade das aplicações desse fantástico circuito (ou com- ponente) denominado amplificador operacional. De modo geral, podemos dizer que suas apli- cações estão presentes nos sistemas eletrônicos de controle industrial, na instrumentação industrial, na instrumentação nuclear, na instrumentação médica (eletromedicina ou bioele- trônica), nos computadores analógicos, nos equipamentos de telecomunicações, nos equipa- mentos de áudio, nos sistemas de aquisição de dados, etc. “Ao longo deste livro, quando nos referimos a um amplificador, deverá ficar implícito que se trata de um amplificador de tensão. CONCEITOS FUNDAMENTAIS 19 Podemos, portanto, classificar os AOPs em função das diversas tecnologias utilizadas desde que os mesmos foram concebidos na década de 40. Temos: 1945 — 1º geração — AQPs a válvulas 1955 — 2º geração — AOPs a transistores 1965 — 3º geração — AQOPs monolíticos bipolares 1975 — 4º geração — AOPs monolíticos bifet e bimos 1985 — 5º geração — AQPs monolíticos de potência para aplicações gerais 1995 aos dias atuais — surgiram muitas inovações, mas sob o aspecto comercial ainda não se tem uma tendência tecnológica definida para se adotar como 6º geração de AOPs Pinagem Na realidade, os AOPs possuem pelo menos 8 terminais. Veja a Figura 1,2, na qual tomamos como exemplo os famosos AOPs uA741 (Fairchild) e LF 351 (National). FIGURA 1.2 A descrição dos pinos é a seguinte: Le 5 — destinados ao balanceamento do AOP (ajuste da tensão de offset — veja item 1.2) 2 — entrada inversora 3 — entrada não-inversora 4 — alimentação negativa (-3V a —18V) 7 — alimentação positiva (+3V a +18V) 6 — saída 8 — não possui nenhuma conexão Observação: Caso o AOP tenha encapsulamento metálico, o pino 8 deverá ser colocado no terra. Código de fabricantes e folhas de dados Existem inúmeros fabricantes de circuitos integrados no mundo. Cada fabricante possui uma codificação para seus produtos. Um mesmo integrado pode ser produzido por vários fabricantes diferentes. Assim sendo, é importante que o projetista conheça os diferentes códi- 20 ELETRÔNICA ANALÓGICA: AMPLIFICADORES OPERACIONAIS E FILTROS ATIVOS gos para discernir o fabricante, buscar o manual (databook) do mesmo, pesquisar as caracte- rísticas do dispositivo, estabelecer equivalências, etc. Na Tabela 1.1, temos a codificação utilizada pelos fabricantes mais conhecidos no mun- do e, principalmente, no Brasil. Para ilustrar, tomamos o 741 como exemplo. TABELA 1.1 Fabricantes Códigos FAIRCHILO pa? 41 NATIONAL LM741 MOTOROLA MC 1741 RCA CA741 TEXAS 5N741 SIGNETICS SA741 SIEMENS TBAZ21(741) Um apêndice muito útil é o Apêndice C, no qual se acham as folhas de dados (data-sheets) do AOP CA741 e similares. Nesse apêndice fizemos algo incomum e interessante: apresenta- mos as folhas de dados retiradas do manual da SID Microeletrônica, uma empresa nacional.” O leitor irá observar que os dados fornecidos sobre os dispositivos estão em português. Acre- ditamos que isso irá contribuir para uma melhor compreensão dos termos técnicos em inglês utilizados em nossos estudos de AOPs e encontrados nos manuais americanos. Essa compre- ensão é muito útil aos que trabalham na área de projetos e manutenção de sistemas eletrônicos envolvendo AOPs. Finalmente, falaremos um pouco sobre encapsulamentos. Na Figura 1.3 (p. 21), temos os tipos mais comuns de encapsulamentos. Na Figura 1.3(a), temos um encapsulamento plano ou flat-pack de 14 pinos; na Figura 1.3(b), temos um encapsulamento metálico ou metal can de 8 pinos; e. finalmente, na Figura 1.3(c) temos dois tipos de encapsulamentos em linha dupla ou DIP (dual-in-line package). Para todos eles são mostradas as diferentes formas de identificação adotadas pelos fabricantes, Para o AOP 741 podemos encontrar encapsulamentos DIP de 8 pinos (mais usual) e 14 pinos. Podemos, também, encontrar os encapsulamentos fat-pack de 10 pinos e metal can de 8 pinos. A pinagem do encapsulamento DIP de 8 pinos corresponde exatamente à pinagem do encapsulamento metálico de 8 pinos. 1.2 CONCEITO DE TENSÃO DE OFFSET DE SAÍDA O fato dos transistores do estágio diferencial de entrada do AOP (veja Apêndice A) não serem idênticos, provoca um desbalanceamento interno do qual resulta uma tensão na saída denominada tensão de offset de saída, mesmo quando as entradas são aterradas. Assim sendo, os pinos 1 e 5 do AOP 741 (ou 351) são conectados a um potenciômetro e ao pino 4. Isso possibilita o cancelamento do sinal de erro presente na saída através de um ajuste adequado do potenciômetro. Veja a Figura 1.4 (p. 21). “Infelizmente a SID não está mais atuando na fabricação de componentes eletrônicos, mas as folhas de dados do Apêndice C continuam perfeitamente válidas, 
