Vimos no último tutorial que o Open Loop Gain, ( AVO ) de um amplificador operacional pode ser muito elevado, até 1.000.000 (120dB) ou mais.
No entanto, este ganho muito elevado não nos serve de nada, pois torna o amplificador tanto instável como difícil de controlar como o menor dos sinais de entrada, apenas alguns micro-volts, (μV) seriam suficientes para fazer saturar a tensão de saída e oscilar em direcção a um ou outro dos trilhos de alimentação de tensão, perdendo o controlo total da saída.
Como o ganho DC de circuito aberto de um amplificador operacional é extremamente elevado, podemos dar-nos ao luxo de perder algum deste ganho elevado ligando uma resistência adequada através do amplificador do terminal de saída de volta ao terminal de entrada invertido para reduzir e controlar o ganho global do amplificador. Isto produz então um efeito comummente conhecido como Feedback Negativo, e assim produz um sistema baseado num Amplificador Operacional muito estável.
O Feedback Negativo é o processo de “feedback” de uma fracção do sinal de saída de volta à entrada, mas para tornar o feedback negativo, temos de o alimentar com o terminal negativo ou de “entrada inversa” do op-amp, utilizando uma Resistor de Feedback externa chamada Rƒ. Esta ligação de feedback entre a saída e o terminal de entrada inversa força a tensão diferencial de entrada para zero.
Este efeito produz um circuito de circuito fechado para o amplificador resultando no ganho do amplificador que agora se chama o seu Ganho em Circuito Fechado. Depois, um amplificador de inversão em circuito fechado utiliza feedback negativo para controlar com precisão o ganho global do amplificador, mas a um custo na redução do ganho dos amplificadores.
Este feedback negativo resulta no terminal de entrada inversa ter um sinal diferente do que a tensão de entrada real, uma vez que será a soma da tensão de entrada mais a tensão de feedback negativa dando-lhe a etiqueta ou termo de um Ponto de Somatório. Devemos portanto separar o sinal de entrada real da entrada de inversão usando uma Resistência de Entrada, Rin.
As não estamos a usar a entrada positiva não-invertente que está ligada a um terminal de terra comum ou de tensão zero, como se mostra abaixo, mas o efeito deste circuito de retorno de circuito fechado resulta em que o potencial de tensão na entrada de inversão seja igual ao da entrada não-invertente produzindo um ponto de soma Virtual Terra porque estará no mesmo potencial que a entrada de referência aterrada. Por outras palavras, o amplificador op-amp torna-se um “amplificador diferencial”.
Configuração do Amplificador Operacional Invertido
Neste circuito amplificador invertido, o amplificador operacional é ligado com feedback para produzir uma operação em circuito fechado. Quando se trata de amplificadores operacionais, há duas regras muito importantes a lembrar sobre amplificadores inversores, estas são: “No current flow into the input terminal” e que “V1 é sempre igual a V2”. No entanto, no mundo real, os circuitos op-amp ambas as regras são ligeiramente quebradas.
Isto porque a junção do sinal de entrada e retorno ( X ) está no mesmo potencial que a entrada positiva ( + ) que está a zero volts ou terra então, a junção é uma “Terra Virtual”. Devido a este nó de terra virtual, a resistência de entrada do amplificador é igual ao valor da resistência de entrada, o Rin e o ganho em malha fechada do amplificador inversor pode ser definido pela razão das duas resistências externas.
Dissemos acima que existem duas regras muito importantes a lembrar sobre Amplificadores Invertedores ou qualquer amplificador operacional para esse fim e estas são
- Nenhum fluxo de corrente para os Terminais de Entrada
- A Tensão Diferencial de Entrada é Zero como V1 = V2 = 0 (Terra Virtual)
Então, usando estas duas regras, podemos derivar a equação para calcular o ganho em loop fechado de um amplificador inversor, usando os primeiros princípios.
Corrente ( i ) flui através da rede de resistências como mostrado.
Então, o Ganho de Voltagem de um Amplificador Invertido em Fechado é dado como.
e isto pode ser transposto para dar Vout as:
Saída Linear
O sinal negativo na equação indica uma inversão do sinal de saída em relação à entrada, pois está 180o fora de fase. Isto deve-se ao facto de o feedback ser negativo em valor.
A equação para a tensão de saída Vout também mostra que o circuito é de natureza linear para um ganho de amplificador fixo como Vout = Vin x Gain. Esta propriedade pode ser muito útil para converter um sinal de sensor mais pequeno para uma tensão muito maior.
Outra aplicação útil de um amplificador invertido é a de um circuito de “amplificador de transresistência”. Um amplificador de transresistência também conhecido como “amplificador de transimpedância”, é basicamente um conversor de corrente para tensão (corrente “dentro” e tensão “fora”). Podem ser utilizados em aplicações de baixa potência para converter uma corrente muito pequena gerada por um fotodíodo ou dispositivo fotodetector, etc., numa tensão de saída utilizável que é proporcional à corrente de entrada, como mostrado.
Circuito Amplificador de Resistência deTransistência
O circuito simples activado por luz acima, converte uma corrente gerada pelo fotodíodo em tensão. A resistência de feedback Rƒ define o ponto de tensão operacional na entrada inversa e controla a quantidade de saída. A voltagem de saída é dada como Vout = Is x Rƒ. Portanto, a voltagem de saída é proporcional à quantidade de corrente de entrada gerada pelo foto-diodo.
Inverting Op-amp Exemplo No1
Findicar o ganho em circuito fechado do seguinte circuito amplificador inversor.
Usando a fórmula previamente encontrada para o ganho do circuito
podemos agora substituir os valores das resistências no circuito como se segue,
Rin = 10kΩ e Rƒ = 100kΩ
e o ganho do circuito é calculado como: -Rƒ/Rin = 100k/10k = -10
Por isso, o ganho do circuito do amplificador invertido acima é dado -10 ou 20dB (20log(10)).
Inverting Op-amp Example No2
O ganho do circuito original deve ser aumentado para 40 (32dB), encontrar os novos valores das resistências necessárias.
Assumindo que a resistência de entrada deve permanecer no mesmo valor de 10KΩ, então ao reorganizar a fórmula de ganho da tensão de circuito fechado, podemos encontrar o novo valor requerido para a resistência de retorno Rƒ.
Ganho = Rƒ/Rin
antes, Rƒ = Ganho x Rin
Rƒ = 40 x 10.000
Rƒ = 400.000 ou 400KΩ
Os novos valores das resistências necessárias para que o circuito tenha um ganho de 40 seriam:
Rin = 10KΩ e Rƒ = 400KΩ
A fórmula também poderia ser reorganizada para dar um novo valor de Rin, mantendo o mesmo valor de Rƒ.
Um ponto final a notar sobre a configuração do amplificador inversor para um amplificador operacional, se as duas resistências forem de igual valor, Rin = Rƒ então o ganho do amplificador será -1 produzindo uma forma complementar da tensão de entrada na sua saída como Vout = -Vin. Este tipo de configuração de amplificador inversor é geralmente chamado de Inversor de Ganho de Unidade de simplesmente um Tampão Inversor.
No próximo tutorial sobre Amplificadores Operacionais, iremos analisar o complemento do circuito amplificador operacional do Amplificador Invertido chamado Amplificador Não-inversivo que produz um sinal de saída que é “em fase” com a entrada.
