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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