Circuitos com Amp-Op — Conceitos Básicos

Um circuito com amp-op usa um amplificador operacional junto com componentes de realimentação para controlar como a saída responde à entrada. A ideia principal é simples: o amplificador sozinho tem um ganho tão alto que é o circuito externo, especialmente a rede de realimentação, que torna o comportamento previsível.

A maioria das fórmulas vistas em sala de aula vem do modelo ideal de amp-op. Essas fórmulas só são confiáveis quando o circuito tem realimentação negativa e a saída permanece entre os trilhos de alimentação, de modo que o amp-op continue na região linear.

Quando As Regras Do Amp-Op Ideal Se Aplicam

Para um amp-op ideal operando na região linear com realimentação negativa, dois atalhos são usados repetidamente:

1. As correntes de entrada são zero.
2. As tensões de entrada são quase iguais, então $V_+ \approx V_-$.

A segunda regra costuma ser chamada de curto virtual. Isso não significa que as entradas estejam fisicamente conectadas. Significa que a realimentação ajusta a saída até que a diferença de tensão entre as entradas se torne muito pequena.

Se o amp-op estiver saturado ou se o circuito não usar realimentação negativa, você não deve assumir que $V_+ \approx V_-$.

Fórmula Do Amplificador Inversor

No amplificador inversor padrão, o sinal de entrada passa por um resistor $R_{in}$ até o terminal inversor, o terminal não inversor fica ligado a uma referência como o terra, e um resistor de realimentação $R_f$ vai da saída de volta ao terminal inversor.

Sob as hipóteses ideais,

$$V_{out} = -\frac{R_f}{R_{in}} V_{in}$$

O sinal de menos significa que a saída está invertida em relação à entrada.

Fórmula Do Amplificador Não Inversor

No amplificador não inversor padrão, o sinal de entrada é aplicado ao terminal não inversor, e o terminal inversor fica dentro de uma rede de realimentação com resistores.

Sob as mesmas hipóteses ideais,

$$V_{out} = \left(1 + \frac{R_f}{R_g}\right) V_{in}$$

Essa versão mantém a saída em fase com a entrada e fornece uma impedância de entrada idealmente muito alta.

Por Que A Realimentação Negativa Muda Tudo

Um amp-op tem ganho de malha aberta extremamente alto. Mesmo uma diferença muito pequena entre $V_+$ e $V_-$ tende a levar a saída fortemente para um trilho ou para o outro.

A realimentação negativa controla esse comportamento. Ela devolve parte da saída para a rede de entrada, de modo que o circuito se estabiliza em uma saída na qual a condição de entrada exigida é satisfeita. Nesses circuitos básicos, é por isso que as razões entre resistores normalmente definem o ganho em malha fechada, em vez do ganho interno bruto do chip.

Exemplo Resolvido: Um Circuito Inversor

Suponha que um amplificador inversor ideal tenha $R_{in} = 2 \, \mathrm{k\Omega}$ e $R_f = 10 \, \mathrm{k\Omega}$. A tensão de entrada é $V_{in} = 0.30 \, \mathrm{V}$.

Use a fórmula do amplificador inversor:

$$V_{out} = -\frac{R_f}{R_{in}} V_{in}$$

Substitua os valores dos resistores:

$$V_{out} = -\frac{10 \, \mathrm{k\Omega}}{2 \, \mathrm{k\Omega}}(0.30 \, \mathrm{V})$$ $$V_{out} = -(5)(0.30 \, \mathrm{V}) = -1.5 \, \mathrm{V}$$

Portanto, a saída prevista é $-1.5 \, \mathrm{V}$. Essa só é a resposta correta se a fonte de alimentação permitir que a saída atinja esse valor.

Se os trilhos de alimentação disponíveis não puderem suportar $-1.5 \, \mathrm{V}$, o amp-op satura e a fórmula simples de ganho deixa de prever a saída real.

Erros Comuns Em Circuitos Com Amp-Op

• Usar $V_+ \approx V_-$ em qualquer circuito com amp-op, mesmo quando não há realimentação negativa.
• Esquecer que a saída não pode ultrapassar os trilhos de alimentação.
• Confundir as fórmulas de ganho do amplificador inversor e do não inversor.
• Ignorar o sinal da saída no amplificador inversor.
• Tratar as regras ideais como descrições exatas de qualquer amp-op real em qualquer frequência e nível de saída.

Onde Os Circuitos Com Amp-Op Aparecem

Circuitos básicos com amp-op aparecem em condicionamento de sinais de sensores, pré-amplificadores de áudio, filtros ativos, seguidores de tensão e sistemas de medição. Eles são muito usados porque um único amplificador mais alguns componentes passivos podem fornecer ganho, buffer ou filtragem de forma previsível.

O modelo ideal costuma ser o primeiro passo. Uma análise mais detalhada passa a importar quando largura de banda, slew rate, corrente de polarização de entrada, tensão de offset, ruído ou limites de excursão da saída se tornam relevantes.

Tente Um Problema Parecido

Mantenha o mesmo amplificador inversor, mas mude o resistor de realimentação para $20 \, \mathrm{k\Omega}$. O módulo do ganho em malha fechada dobra, então a saída prevista passa a ser $-3.0 \, \mathrm{V}$ se o amp-op ainda puder permanecer na região linear. Se quiser resolver um circuito parecido do zero, tente sua própria versão com uma razão diferente entre resistores e verifique primeiro se os limites dos trilhos ainda permitem esse resultado.