ENG1027: Instrumentação Eletrônica

3.1) Amplificação

Amplificadores:

Dispositivo ou circuito que aumenta a amplitude(ou magnitude) de um sinal elétrico.

Este sinal pode ser de tensão ou de corrente

4 tipos de amplificador:

tensão: vout = Av vin

corrente: iout = Ai iin

transcondutância: iout = Gm vin

transimpedância: vout = Rm iin

Amplificadores:

Av

Ai

Gm

Rm

vin

vout

iout

iin

vin

iout

vout

iin

3.1) Amplificação

Amplificador de Tensão na Prática:

Av

vs

vout

Rs

vin

iin

RL

vL

iout

3.1) Amplificação

Amplificador de Tensão Ideal:

Av

vs

vout

Rs

vin

iin

RL

vL

iout

vin = vs

Não drena corrente

da fonte de entradaFornece qualquer

corrente de saída

vL = vout = Av vin = Av vs

Ganho independe

da freqüência

3.1) Amplificação

vs

vout

Rs

iin

RL

vL

iout

Rin

Rout

Av(f)

vin

Amplificador de Tensão Real:

vin vs

Drena corrente

da fonte de entradaCorrente de saída

é limitada

vL = vout Av vin Av vs

Ganho depende

da freqüência

vL = vout = Av(f) vin - Rout iout

3.1) Amplificação

Ideal

Amplificador de Tensão Ideal

Não drena corrente da fonte de entrada

Rin =

Capaz de fornecer qualquer corrente de saída

Rout = 0

Ganho Independente da Freqüência

3.1) Amplificação

Ideal

Amplificador de Tensão Real

Drena corrente da fonte de entrada

Rin finito

Capaz de fornecer qualquer corrente de saída

Rout 0

Ganho Depende da Freqüência

3.1) Amplificação

Amplificador de Tensão Reals

in

v

v

vs

vout

Rs

iin

RL

vL

iout

Rin

Rout

Av(f)

vin

fAvRR

Rv vs

sin

ino

3.1) Amplificação

s

sin

inin v

RR

Rv

Amplificador de Tensão Real

o

outL

LL v

RR

Rv

vs

vout

Rs

iin

RL

vL

iout

Rin

Rout

Av(f)

vin

fAvRR

R

RR

Rv vs

sin

in

outL

LL

3.1) Amplificação

o

L

v

v

ffh

fL

Gm

2

mG

G

Resposta em freqüência típica:

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional:

Circuitos de amplificação muito complexos.

Apresentados sob a forma de circuitos integrados.

Compostos por dezenas de transistores.

Projetados para realizar certas operações matemáticas, como adição, subtração, multiplicação, diferenciação, integração, etc

Uso é muito simples em comparação com os transistores.

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional:

Projetados para se aproximarem de um amplificador de tensão ideal:

Impedância de entrada infinita

• Rin =

Impedância de saída nula• Rout = 0

Ganho de tensão infinito

• Av = (na prática entre 104 e 109)

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional: exemplo simples

Av ~ 100000

Rin ~ 5 MW

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional: símbolo

-

+Saída

Entrada

Inversora

Entrada

Não-Inversora

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional: símbolo

-

+Saída

Entrada

Inversora

Entrada

Não-Inversora

Vs+

Vs-

v+

v-

vout

vout Avvv

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional: curva de transferência de tensão

vv

sV

sV

satV

satV

vsat AV

vsat AV

saturação positiva

saturação negativa

região linear

vout Avvv

vout

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional: Comparador

-

+vin

vout

vRef

-V

+V

vin > Vref Vvout

vin < Vref Vvout

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional Ideal:

É um amplificador tanto cc quanto ca.

Não há corrente nos terminais de entrada

A impedância de saída é zero

O ganho é infinito

Quando utilizando realimentação positiva, o circuito é instável (oscilador) e não linear.

Quando utilizando realimentação negativa, o circuito é estável e linear.

3.1) Amplificação

Seguidor de Tensão (realimentação negativa):

vout

vin

-

+v+

v-

vout Avvv voutinout Avvv

11

v

v

in

out

A

A

v

v vinvout AvAv 1 v+ = v-

< 1 !

estável

3.1) Amplificação

Seguidor de Tensão (realimentação positiva):

vout

vin

-

+v-

v+

vout Avvv vinoutout Avvv

11

v

v

in

out

A

A

v

v vinvout AvAv 1 v+ = v-

+

-> 1 !

instável!

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional Ideal (realimentação negativa):

Quando utilizando realimentação negativa, o circuito é estável e linear.

Não há corrente nos terminais de entrada

O ganho é infinito

Para que a saída seja finita, as entradas inversora (-) e não-inversora (+) têm aproximadamente a mesma voltagem: curto-circuito virtual

3.1) Amplificação

Seguidor de Tensão:

vout

vin

-

+v+

v-

v+ = v- vout = vin

3.1) Amplificação

Seguidor de Tensão:

Funciona como um buffer ideal:

tensão de saída igual à tensão de entrada

impedância de entrada infinita, não afetando o sinal de entrada

impedância de saída muito baixa

3.1) Amplificação

-

+

Iin

R

vout

Amplificador de Transimpedância/Amperímetro:

v- = v+ = 0

i-

i- = 0inout RIv

3.1) Amplificação

-

+

Iin

Iout

RL

RS

Rf

Amplificador de Corrente:

i- = 0infS IRv

Iin Is

vS

in

S

f

S

SS I

R

R

R

vI

0

S

f

inoutR

RII 1

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional: Caso Geral

Zf

vout

vi1 Z

1

Z2

Z3

v-

v+

-

+vi2

if

i+

i+ = 0 2

32

3iv

ZZ

Zv

2

32

3iv

ZZ

Zv

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional: Caso Geral

Zf

vout

vi1 Z

1

Z2

Z3

v-

v+

-

+vi2

if

f

outf

Z

vvi

i-

i- = 0

1

1

Z

vvi i

f

if

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional: Caso Geral

Zf

vout

vi1 Z

1

Z2

Z3

v-

v+

-

+vi2

if

1

1

Z

vv

Z

vv i

f

out

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional: Caso Geral

Zf

vout

vi1 Z

1

Z2

Z3

v-

v+

-

+vi2

if

1

1

i

f

out vvZ

Zvv

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional: Caso Geral

Zf

vout

vi1 Z

1

Z2

Z3

v-

v+

-

+vi2

if

1

11

1 i

ff

out vZ

Zv

Z

Zv

2

32

3iv

ZZ

Zv

3.1) Amplificação

Amplificador Operacional: Caso Geral

Zf

vout

vi1 Z

1

Z2

Z3

v-

v+

-

+vi2

if

1

1

2

32

3

1

1 i

f

i

f

out vZ

Zv

ZZ

Z

Z

Zv

3.1) Amplificação

Amplificador Inversor:

vout

vi1 -

+

Rf

R1

Zf = Rf

Z1 = R1

Z2 =

Z3 = 0

1

1

2

32

3

1

1 i

f

i

f

out vZ

Zv

ZZ

Z

Z

Zv

3.1) Amplificação

Amplificador Inversor:

vout

vi1 -

+

Rf

R1

Zf = Rf

Z1 = R1

Z2 =

Z3 = 0

1

1

i

f

out vR

Rv

3.1) Amplificação

Amplificador Somador:

3

3

2

2

1

1

R

v

R

v

R

v

R

v iii

f

out

-

+

vi1

vi2

vi3

R1

R2

R3

Rf

vout

v- = v+ = 0

3.1) Amplificação

Amplificador Somador:

321 iii

f

out vvvR

Rv

-

+

vi1

vi2

vi3

R

R

R

Rf

vout

3.1) Amplificação

Integrador:

-

+

vi

R

C

vout

v- = v+ = 0

dtiCC

qv cout

1

R

vi ic

dtvRC

v iout

1

i- = 0

ci

3.1) Amplificação

-

+

vi

R

C

vout

Diferenciador:v- = v+ = 0 iCvq

R

vi outc

dt

dvRCv i

out

i- = 0ci

dt

dqic

dt

dvCi i

c

3.1) Amplificação

Amplificador Não-Inversor:

Zf = Rf

Z1 = R1

Z2 = 0

Z3 =

vi1 = 0

1

1

2

32

3

1

1 i

f

i

f

out vZ

Zv

ZZ

Z

Z

Zv

vout

vi1 -

+vi2

Rf

R1

3.1) Amplificação

Amplificador Não-Inversor:

Zf = Rf

Z1 = R1

Z2 = 0

Z3 =

vi1 = 0

2

1

1 i

f

out vR

Rv

vout

vi1 -

+vi2

Rf

R1

3.1) Amplificação

Amplificador Não-Inversor:

Zf = Rf

Z1 = R1

Z2 = 0

Z3 =

vi1 = 0

2

1

1 i

f

out vR

Rv

vout

vi1 +

-

Rf

R1

3.1) Amplificação

Amplificador de Diferenças:

vi1 -

+vi2

Rf

R1

R2

R3

Zf = Rf

Z1 = R1

Z2 = R2

Z3 = R3

1

1

2

32

3

1

1 i

f

i

f

out vZ

Zv

ZZ

Z

Z

Zv

3.1) Amplificação

Amplificador de Diferenças:

vi1 -

+vi2

Rf

R1

R2

R3

1

1

2

32

3

1

1 i

f

i

f

out vR

Rv

RR

R

R

Rv

R1 = R2

R3 = Rf

3.1) Amplificação

Amplificador de Diferenças:

vi1 -

+vi2

Rf

R1

R1

Rf

12

1

ii

f

out vvR

Rv

R1 = R2

R3 = Rf

3.1) Amplificação

Amplificador de Diferenças:

vi1 -

+vi2

Rf

R1

R1

Rf

Rin1 = R1

Rin2 = R1 + Rf

muito baixas!

3.1) Amplificação

Amplificador de Instrumentação:

-

+v+

v-

voutA

Sejam:

vd = v+ - v- tensão diferencial

vc = ( v+ + v- ) / 2 tensão de modo comum

Avvvout

ideal

3.1) Amplificação

Amplificador de Instrumentação:

vd tensão diferencial

vc tensão de modo comum

Ad ganho diferencial

Ac ganho de modo comum

Ad / Ac CMRR = Razão de Rejeição

ou de Modo Comum

20 log (Ad / Ac)

3.1) Amplificação

Amplificador de Instrumentação:

Ganho diferencial 1 - 1000

Não-linearidade do ganho 0,01%

CMRR 80 - 120 dB

Rin diferencial 106 - 1010W

Rout 0,01 - 0,1 W

Bias 50 - 250 mV

3.1) Amplificação