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Se você está começando a estudar eletrônica analógica, logo encontrará um dos blocos mais importantes e versáteis dessa área: o amplificador operacional (ou op-amp). Esse componente é amplamente utilizado em circuitos que envolvem amplificação de sinais, comparações de tensão, filtragem, integração e muitas outras aplicações essenciais.
O amplificador operacional é, na verdade, um circuito integrado composto por transistores, resistores e outros elementos eletrônicos. Seu principal objetivo é amplificar a diferença de tensão entre suas duas entradas. A depender da forma como é configurado com componentes externos, pode assumir diversos comportamentos úteis em sistemas eletrônicos.
Para quem busca reforçar o aprendizado ou revisar os conceitos apresentados aqui, há uma excelente playlist de videoaulas disponível no YouTube com foco em amplificadores operacionais. Trata-se de um material complementar que pode ajudar bastante na fixação do conteúdo. Você pode acessá-la aqui:
🎥 Playlist: Amplificadores Operacionais (YouTube)
A seguir, veremos a representação diagramática básica desse bloco funcional:
Por que o nome “operacional”?
Este componente leva este nome porque permite realizar operações matemáticas sobre os sinais de entrada:
- Soma
- Subtração
- Multiplicação e divisão (com rede resistiva adequada)
- Integração e derivação no tempo (com o uso de capacitores)
- Operações mais complexas como exponenciação e logaritmos (em arranjos específicos com diodos ou transistores)
Ou seja, trata-se de um bloco funcional programável via hardware passivo, muito utilizado em eletrônica analógica.
Funcionamento
A saída do amplificador depende da diferença de tensão entre os terminais de entrada (não inversora e inversora), multiplicada por um fator de ganho muito alto, representado por A.
- Quando esse valor ultrapassa os limites de alimentação (+Vcc ou -Vcc), o amplificador satura, ou seja, a saída é limitada a esses extremos.
- Quando está dentro desse limite, diz-se que o amplificador opera em regime linear.
Características do amplificador operacional ideal
- A diferença de potencial entre as entradas V_+ e V_- é zero (no regime linear com realimentação negativa).
- A corrente de entrada em cada terminal é zero — ou seja, os terminais possuem impedância infinita.
- O ganho A é infinito, o que na prática significa que o amp op tentará ajustar a saída para forçar V_+ = V_-, se possível.
Amplificador Inversor
Será demonstrado um exemplo onde as tensões V_+ e V_- são iguais a zero (análise ideal). O esquema diagramático é o seguinte:
Análise do circuito:
Em problemas com amplificadores operacionais, normalmente busca-se determinar a função de saída V_o em função da entrada V_i e dos resistores do circuito. Duas propriedades importantes devem ser consideradas: (1) a tensão nas entradas positiva e negativa do amplificador são iguais; e, neste caso, como a entrada V_+ está conectada ao terra, a entrada V_- também terá tensão zero; (2) a corrente que entra em ambos os terminais do amplificador operacional é nula.
A corrente I_1 pode ser determinada pela diferença de potencial antes e depois do resistor R_1, ou seja, pela tensão sobre R_1, dividida pelo seu valor de resistência, conforme a Lei de Ohm. Como a corrente que entra na entrada V_- do amplificador operacional é nula, toda a corrente I_1 também passa por R_2. Vamos agora construir uma expressão para a tensão sobre R_2 (V_R}), que neste circuito corresponde à tensão de saída V_o. Esse desenvolvimento pode ser feito aplicando a Lei de Ohm, seguida de manipulações e substituições algébricas, conforme ilustrado nas etapas a seguir:
Como o sinal negativo aparece na expressão final?
Isso ocorre devido à forma como determinamos a tensão de saída V_o. Ao imaginar uma medição de tensão com um multímetro, posicionamos a ponteira vermelha (positiva) na saída V_o e seguimos pelo circuito em direção ao aterramento. Neste diagrama, o caminho até o terra passa apenas por R_2, o que nos permite afirmar que V_o é igual à tensão sobre R_2 (V_R2). O sinal negativo surge porque, ao atravessarmos R_2 nesse sentido (da saída para o terra), encontramos primeiro o terminal negativo do resistor. Isso indica que a queda de tensão está no sentido oposto ao da corrente convencional, justificando a presença do sinal de menos na expressão da tensão.
Amplificador Não Inversor
Neste caso, o diagrama é:
A principal diferença neste caso é que agora a entrada V_in está conectada ao terminal não inversor (V_+) do amplificador. Ainda assim, como V_+ e V_- tendem a possuir o mesmo valor devido às características do amplificador ideal, podemos partir da seguinte consideração:
Dada a relação anterior, podemos começar observando que a corrente que passa pelo resistor R_1 é dada pela razão entre a tensão de entrada V_{in} e a resistência R_1, como mostrado na equação (1). Como não há corrente fluindo para a entrada inversora (V_-) do amplificador operacional, a corrente que passa por R_2 será a mesma que passa por R_1, ou seja, I_1 = I_2.
Além disso, podemos obter uma outra expressão para I_2, partindo do princípio de que a corrente é a razão entre a tensão e a resistência. Observando que a tensão sobre R_2 corresponde à diferença entre a tensão de saída V_o e a tensão no terminal V_-, obtemos a equação (2).
A seguir, utilizamos a equação básica para a tensão no resistor R_2, conforme indicado em (3), para desenvolver a expressão da tensão de saída V_o. Na equação (4), substituímos V_R2 por V_o — V_in, mantendo o lado direito da equação inalterado. Já na equação (5), realizamos a substituição de I_2 pelo seu valor encontrado anteriormente na equação (2).
Na equação (6), isolamos o termo V_o. Em seguida, na equação (7), colocamos V_{in} em evidência, fatorando a expressão. Por fim, na equação (8), realizamos o mínimo múltiplo comum (MMC) para simplificar a expressão dentro dos parênteses.
Dessa forma, chegamos a uma expressão para a tensão de saída V_o, que depende diretamente do sinal de entrada V_in e dos valores dos resistores do circuito.
Conclusão sobre Amplificador não Operacional:
- O amplificador não inversor fornece um ganho positivo (não altera a fase do sinal).
- O ganho depende da relação entre os resistores R_1 e R_2.
Fechamento
O estudo dos amplificadores operacionais e de suas propriedades fundamentais é essencial para compreender e projetar circuitos analógicos com precisão. Esses conceitos são amplamente aplicados em sistemas de instrumentação, processamento de sinais e controle, sendo a base para o funcionamento de uma infinidade de dispositivos eletrônicos modernos.
Originalmente publicado em 07/10/2019.
