Amplificador operacional

Um amplificador operacional ou op amp é um amplificador de tensão acoplado em DC com um ganho de tensão muito alto.

O op amp é basicamente um amplificador multietapa no qual várias etapas de amplificação estão interconectadas de maneira muito complexa. Seu circuito interno consiste em muitos transistores, FETs e resistores. Tudo isso ocupa um espaço muito pequeno.
Portanto, é embalado em um pacote pequeno e está disponível na forma de Circuito Integrado (CI). O termo Op Amp é usado para denotar um amplificador que pode ser configurado para realizar várias operações como amplificação, subtração, diferenciação, adição, integração, etc. Um exemplo é o muito popular CI 741.

O símbolo e sua aparência real na forma de CI são mostrados abaixo. O símbolo aparece como uma seta, indicando que o sinal flui da saída para a entrada.

Terminais de Entrada e Saída de um Amplificador Operacional

Um op-amp tem dois terminais de entrada e um terminal de saída. O op-amp também tem dois terminais de alimentação de tensão, conforme visto acima. Os dois terminais de entrada formam a entrada diferencial. Chamamos o terminal marcado com o sinal negativo (-) de terminal inversor e o terminal marcado com o sinal positivo (+) de terminal não-inversor do amplificador operacional. Se aplicarmos um sinal de entrada no terminal inversor (-), então o sinal de saída amplificado estará 180o fora de fase em relação ao sinal de entrada aplicado. Se aplicarmos um sinal de entrada no terminal não-inversor (+), então o sinal de saída obtido estará em fase, ou seja, não terá deslocamento de fase em relação ao sinal de entrada.

Alimentação de Energia para um Amplificador Operacional

Como visto no símbolo do circuito acima, ele tem dois terminais de alimentação de energia +VCC e –VCC. Para o funcionamento de um op-amp, uma alimentação de energia de polaridade dupla é essencial. Na alimentação de polaridade dupla, conectamos o +VCC à alimentação de tensão positiva e o terminal –VCC à alimentação de tensão negativa. No entanto, alguns op-amps também podem funcionar com uma alimentação de polaridade única. Note que não há um terminal comum de terra nos op-amps, portanto, a terra deve ser estabelecida externamente.

Princípio de Funcionamento do Op Amp

Operação em Loop Aberto de um Amplificador Operacional

Como dito acima, um op-amp tem entrada diferencial e saída monofásica. Portanto, se aplicarmos dois sinais, um no terminal inversor e outro no terminal não-inversor, um op-amp ideal amplificará a diferença entre os dois sinais de entrada aplicados. Chamamos essa diferença entre os dois sinais de entrada de tensão de entrada diferencial. A equação abaixo fornece a saída de um amplificador operacional.Onde, VOUT é a tensão no terminal de saída do op-amp. AOL é o ganho em loop aberto para o op-amp dado e é constante (ideologicamente). Para o CI 741, AOL é 2 x 105.
V1 é a tensão no terminal não-inversor.
V2 é a tensão no terminal inversor.
(V1 – V2) é a tensão de entrada diferencial.
Fica claro pela equação acima que a saída será diferente de zero somente se a tensão de entrada diferencial for diferente de zero (V1 e V2 não são iguais), e será zero se V1 e V2 forem iguais. Note que esta é uma condição ideal, na prática, existem pequenos desequilíbrios no op-amp. O ganho em loop aberto de um op-amp é muito alto. Portanto, um op-amp em loop aberto amplifica uma tensão de entrada diferencial aplicada muito pequena para um valor enorme.
Também é verdade que, se aplicarmos uma tensão de entrada diferencial pequena, o amplificador operacional a amplifica para um valor considerável, mas este valor significativo na saída não pode ultrapassar a tensão de alimentação do op-amp. Portanto, não viola a lei da conservação de energia.

Operação em Loop Fechado

A operação explicada acima do op-amp foi para loop aberto, ou seja, sem feedback. Introduzimos o feedback na configuração de loop fechado. Este caminho de feedback alimenta o sinal de saída de volta à entrada. Portanto, nas entradas, dois sinais estão presentes simultaneamente. Um deles é o sinal original aplicado, e o outro é o sinal de feedback. A equação abaixo mostra a saída de um op-amp em loop fechado.Onde VOUT é a tensão no terminal de saída do op-amp. ACL é o ganho em loop fechado. O circuito de feedback conectado ao op-amp determina o ganho em loop fechado ACL. VD = (V1 – V2) é a tensão de entrada diferencial. Dizemos que o feedback é positivo se o caminho de feedback alimentar o sinal do terminal de saída de volta ao terminal não-inversor (+). O feedback positivo é usado em osciladores. O feedback é negativo se o caminho de feedback alimentar parte do sinal do terminal de saída de volta ao terminal inversor (-). Usamos feedback negativo nos op-amps usados como amplificadores. Cada tipo de feedback, negativo ou positivo, tem suas vantagens e desvantagens.

Feedback Positivo ⇒ Oscilador
Feedback Negativo ⇒ Amplificador
A explicação acima é o princípio básico de funcionamento dos amplificadores operacionais.

Características de um Op Amp Ideal

Um op-amp ideal deve ter as seguintes características:

Gorjeta