21ACircuitosNaoLinearesAmpOp (1)

Prévia do material em texto

21A - CIRCUITOS NÃO LINEARES 
COM AMP OP 
Vitória da Conquista - 2018 
 
CELET – Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica 
Professor: Edvaldo Moraes Ruas, EE 
IFBA 
• Amp Ops são componentes baratos, versáteis e seguros; 
 
• Circuitos Lineares - Amplificador de Tensão, Fontes de Corrente e Filtros Ativos; 
 
• Circuitos não lineares - Circuitos Ativo com Diodos, Comparadores e Geradores 
de Sinal; 
 
• Circuitos não-lineares; 
– Sinal de saída diferente do sinal de entrada; 
– São circuitos mais complicados que os lineares; 
– Podem saturar; 
– Ou ter a malha de realimentação aberta durante parte do seu ciclo de operação. 
CIRCUITOS NÃO LINEARES COM 
AMP OP 
CIRCUITOS COM DIODO ATIVO 
 
 
– O alto ganho de tensão reduz o efeito da tensão de joelho; 
vin = __0,7__ = 7 µV 
 100.000 
– Funciona como Seguidor de Tensão ou um Retificador de meia onda; 
– É indicado para pequenos sinais, na faixa de microvolt. 
• Retificador de Meia-Onda 
CIRCUITOS COM DIODO ATIVO 
 
 Detector de Pico Ativo 
• Constante de tempo é baixa RLC, 
• Em relação ao período do sinal de entrada. 
 
 
 No caso de uma Carga Baixa 
• Pode-se utilizar um amp op como Buffer; 
• No mínimo RLC > 10T, 
onde T = período da frequência mais baixa de entrada 
 
 
 
 
 No caso de RLC ser alta 
• Pode-se descarregar rapidamente o capacitor; 
• Preparando o circuito para um outro sinal. 
 
 
 
 
 
CIRCUITOS COM DIODO ATIVO 
 
 Funcionamento do Limitador Positivo Ativo 
• Quando o vin estiver abaixo da tensão de Vref, a saída do amp-op satura 
positivamente, o diodo fica inversamente polarizado, aberto, e vout = vin; 
• E quando o vin estiver acima da tensão de Vref, a saída do amp-op satura 
negativamente, o diodo fica diretamente polarizado, conduz, e vout = Vref; 
• Pois passa existir uma corrente através de R, provocando uma queda de 
tensão nesse resistor; 
• Como verro = 0 o potencial da entrada não inversora aparece na entrada 
inversora, consequentemente na saída. 
CIRCUITOS COM DIODO ATIVO 
 
 Limitador Positivo e Negativo Ativo 
 
• Abaixo da tensão Zener o circuito tem um ganho de malha fechada de 
R2/R1; 
• Acima da tensão Zener mais 0,7 V, a saída é ceifada; 
• Tensão de saída é igual a tensão em cima de R2. 
CIRCUITOS COM DIODO ATIVO 
 
 Grampeador Positivo Ativo 
 
• No primeiro semiciclo negativo de entrada o capacitor descarregado (-) 
produz uma saída positiva no amp-op, pois o sinal inverte, fazendo o 
diodo conduzir e carregando o capacitor; 
 
• Devido ao terra virtual o capacitor fica em paralelo com a fonte e se 
carrega até a tensão de pico da mesma; 
 
 
CIRCUITOS COM DIODO ATIVO 
 
 Grampeador Positivo Ativo 
 
• No semiciclo positivo a entrada do amp-op fica positiva o que faz a saída 
ficar negativa e o diodo entrar em corte, e vout fica igual a soma do sinal 
da fonte com a tensão CC do capacitor; 
 
• A partir daí o capacitor funciona como uma fonte CC deslocando o eixo 
do sinal de saída, tornando ele todo positivo. 
COMPARADORES 
 • Comparador com duas entradas 
– Não-inversora e inversora. 
 
• Comparador com uma entrada aterrada 
– Para 741C → 135 µV é suficiente para saturar positivamente o amp op; 
– Ou -135 µV para saturar negativamente o amp op; 
 
 
 
 
 
COMPARADORES 
 
• Mudando o Ponto de Referência 
– Capacitor de desvio reduz a quantidade de ondulação e ruído da fonte; 
– Para ter efeito fc vref a saída é alta; 
 
– Nos dois casos a saída é positiva. 
 
 
 
COMPARADORES 
 
• Comparadores na Forma de CI 
– Um amp op como um 741C pode ser utilizado como um comparador; 
– Porém existem limitações de velocidade; 
– Sua taxa de variação (SR) é de 0,5 V/µS; 
– Gasta mais do que 50 µs para comutar de – 13,5 V para +13,5 V. 
 
• Solução usar um LM318 
– Com uma taxa de variação (SR) é de 70 V/µS; 
– Gasta aproximadamente 0,3 µs para comutar de –13,5 V para +13,5 V. 
 
 
 
 
COMPARADORES 
 
• Outra solução – eliminar o capacitor de compensação do amp op 
– Esse capacitor tem a finalidade de evitar oscilações; 
– Porém ele reduz o ganho; 
– Como o amp op é utilizado como um circuito não-linear ele pode ser eliminado. 
 
• Em um CI otimizado 
– O tempo de comutação depende, agora, das capacitâncias parasitas; 
– Uma maneira de reduzir esse tempo é reduzindo R (de elevação); 
– Pois diminui a constante de tempo de saída; 
 
COMPARADORES 
 
• Diagrama interno de CI 741C 
COMPARADORES 
 
• Diagrama interno de CI LM311 ou LM211 
 
 
COMPARADORES 
 • Exemplos de comparadores: LM311, LM339 e NE529 
 
SCHMITT TRIGGER 
  Um ruído pode mudar a saída de um comparador. 
 
 Os motores elétricos, letreiros luminosos de neon, rede elétricas, ignições de 
automóveis, raios e outros; 
 
 Produzem campos eletromagnéticos que podem induzir um ruído em um 
circuito eletrônico. 
 
• A solução: 
– É um Schmitt Trigger; 
 
 
 
Funcionamento do SCHMITT TRIGGER 
• O circuito utiliza realimentação positiva através de um Divisor de Tensão que 
define a tensão de referência na entrada não inversora, a tensão da entrada não 
inversora vai subtrair da entrada inversora e a saída vai saturar positivamente ou 
negativamente, a depender de qual entrada for maior; 
 
 
• Se considerar que o sinal variável de entrada é inicialmente positivo e menor 
que a referência (logo a direita do eixo vertical de vout, figura b), a tensão de 
saída está saturada positivamente. 
 
• Portanto, a tensão de referência vai ser positiva, mantendo a saída saturada 
positivamente até que a entrada inversora fique ligeiramente maior que a 
referência, o limite superior BVsat. O que faz o resultado da soma entre as 
entradas se tornou negativa, logo a saída satura negativamente. 
 
 
SCHMITT TRIGGER 
• A partir dai a tensão de referência vai ser negativa até que a entrada inversora 
fique ligeiramente menor que a referência -BVsat. O que faz o resultado da 
soma entre as entradas agora se tornou positiva, logo a saída satura 
positivamente. A partir daí os ciclos se repetem. 
 
 
• O tempo que leva para a saída do circuito mudar de estado caracteriza a 
Histerese (que em grego significa atraso), a propriedade mais importante desse 
Comparador. 
 
SCHMITT TRIGGER 
 
• vref = + BVsat = VDS; 
 
• vref = – BVsat = VDI; 
 
 B = __R2__ 
 R1 + R2 
 
 
 Mudança de estado da saída 
 
• A tensão de entrada tem que ser 
maior do que a de referência para 
saturar; 
 
• E a saturação da saída se dá com o 
sinal oposto, pois a entrada 
inversora inverte o sinal de saída. 
 
 
 
 
SCHMITT TRIGGER 
 Ponto de comutação superior UTP = BVsat 
 
Ponto de comutação inferior LTP = – BVsat 
 
Histerese H = 2BVsat 
 
– A histerese é desejável em um Schmitt trigger porque ela evita que ruídos 
provoquem disparos falsos. 
 
• Circuito Não-Inversor 
 
 UTP = iin R2; 
 
 iin = Vsat; 
 R1 
 
 UTP = Vsat . R2 
 R1 
 
 
 
 
 
 
 
INTEGRADORES 
 • Aplicação mais comum 
Gerar uma rampa, 
quando a entrada é uma onda quadrada (sinal usual). 
 
• Circuito Básico 
– Devido ao terra virtual a corrente é: 
 iin = vin 
 R 
– E ainda, a tensão de saída é igual a tensão em cima do capacitor; 
 
 
INTEGRADORES 
 • Rampa 
– Como uma corrente constante circula no capacitor, 
– a carga Q aumenta linearmente em relação ao tempo, 
– logoa tensão aumenta linearmente. 
– O que equivale a uma saída na forma de uma rampa; 
 C = _Q_ V = _Q_ 
 V C 
– Em razão do sentido da corrente de entrada a tensão de saída é negativa; 
– A tensão sobre o capacitor no final do pulso; 
 V = _Q/T_ V = _I_ V = _IT_ 
 T C T C C 
– Para o Integrador funcionar adequadamente → RC > 10T; 
– Circuito equivalente com a capacitância de Miller. 
 
 
 
INTEGRADORES 
 • Eliminação da Compensação (Offset) de Saída 
– O capacitor se carrega e não descarrega mais totalmente, com a tensão 
de compensação o Amp Op entra na saturação; 
– Para ele descarregar e voltar a se carregar totalmente se utiliza o 
circuito abaixo. 
 
• Uma outra forma é utilizar um JFET 
 
CONVERSORES DE FORMA DE ONDA 
 
• Schmitt trigger 
• Senoidal em Retangular 
– Funciona para sinal de entrada que tem ciclos repetidos; 
– Sinal suficientemente grande para passar pelos dois pontos de comutação; 
– O sinal não precisa ser senoidal. 
 
CONVERSORES DE FORMA DE ONDA 
 
• Integrador 
• Retangular em Triangular 
– Onda de saída com a mesma frequência que a onda de 
entrada; 
– Tensão de saída: 
 vout = _vin_ 
 4fRC 
 
• Comparador – detector de limite 
• Triangular em Pulso 
– Podemos mudar a largura do pulso de saída; 
– Tensão de referência é ajustável (0 a +V); 
 
CONVERSORES DE FORMA DE ONDA 
 
GERADORES DE FORMA DE ONDA 
 
• Oscilador de Relaxação 
– Não há sinal de entrada; 
– O capacitor se carrega exponencialmente com Voff pela realimentação ligada nele e 
na entrada inversora; 
– Nunca atinge + Vsat porque a sua tensão atinge o UTP; 
– Nesse momento a entr. “–” fica maior que entr. “+”, saturando a saída negativa; 
– Após isso o capacitor se carrega com carga negativa até atinge LTP; 
– Nesse momento a entr. “+” fica maior que entr. “–”, saturando a saída positiva; 
 
– Período da onda retangular: 
– T = 2RC ln 1 + B; 
 1 – B 
– Frequência depende da carga e descarga do capacitor. 
 
GERADORES DE FORMA DE ONDA 
 
• Gerando Ondas Triangulares 
– É a associação de um oscilador de relaxação e um integrador; 
– A onda triangular tem a mesmo período que a retangular; 
UM OUTRO GERADOR TRIANGULAR 
 • Amplificador ca 
– Um Schmitt trigger não-inversor com um integrador; 08/04 
 
CONVERSORES A/D 
 
– Utilizado em voltímetros; 
– Tensão a ser medida é aplicada à entrada 
– não-inversora; 
– Tensão em escada alimenta a entrada inversora; 
– À medida que a tensão inversora aumenta, a tensão de erro torna-se menos 
positiva; 
– Em algum ponto ocorre uma transição, e a saída do comparador muda; 
– Quanto maior a tensão vin, maior o tempo de ultrapassagem; 
– Portanto, o tempo é proporcional a tensão. 
• Um comparador desse detecta quando a tensão de entrada CA situa-se entre dois 
limites; 
 
 Exemplo de funcionamento com Amp Op 
• Quando vin = 0, o diodo superior está em condução e o inferior em corte; 
• A entrada não-inversora é + 0,7V, porque a tensão vin = 0 soma-se com a tensão do diodo 
0,7V, forçando a tensão do resistor R de cima ir para esse valor por estar em paralelo com a 
soma dessas tensões; 
• A entrada inversora está em + 3V, portanto a tensão de erro é negativa e a saída do 
comparador é baixa; 
• Enquanto vin ficar abaixo +2,3V, a saída é baixa; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Obs.: Usar valores de tensão para explicar esse circuito. 
COMPARADOR DE JANELA 
COMPARADOR DE JANELA 
 Exemplo de funcionamento com Amp Op 
• Quando vin for +2,301V, por exemplo, a tensão de entrada não-inversora será 
3,001V, forçando a tensão do resistor R de baixo ir para esse valor por estar em 
paralelo com essa tensão; 
• E na entrada inversora será 1,601, portanto a tensão de erro é positiva e a saída do 
comparador é alta; 
• Enquanto vin ficar abaixo +4,7V, a saída é alta; 
• Quando vin aumenta ainda mais, até chegar a + 4,701V, por exemplo; 
• A tensão da entrada inversora 4,001V fica maior do que a entrada não-inversora 
4V, e a saída fica negativa. 
• Portanto, acima de 4,7V a saída é levada para o estado baixo. 
 
 
 
 
 
 
COMPARADOR DE JANELA 
 • Utilizando o LM339 
– Entre + 3 a + 4 V, os transistores de saída estarão abertos, saída alta; 
– Quando o transistor de saída de um dos comparadores estiver saturado, e o outro em corte; 
– O transistor de saída saturado leva a tensão de saída para o nível baixo; 
 
MAIS SOBRE O SCHMITT TRIGGER 
 • As capacitâncias parasitas diminuem a velocidade de comutação, pois a tensão não 
pode mudar até que essas capacitâncias sejam carregadas; 
 
• Capacitor de Elevação de Velocidade 
– Quando a tensão de saída começa a variar, esta variação realimenta à entrada 
não-inversora e é amplificada, forçando a saída a variar mais rápido; 
– Para aumentar a velocidade é conectado C1; 
– A capacitância parasita C2 tem que ser carregada antes da variação na entrada; 
 
 
 
 
MAIS SOBRE O SCHMITT TRIGGER 
 • Capacitor de Elevação de Velocidade 
– Para neutralizar a capacitância parasita: 
 XC2 = R2 
 XC1 R1 
 
 C1 = R2 C2 
 R1 
 
 R1C1 ≥ R2 C2 
 
 
MAIS SOBRE O SCHMITT TRIGGER 
 
• Deslocando os Pontos de Comutação 
– O divisor de tensão define o centro do 
laço de histerese; 
 
 
 
 
MAIS SOBRE O SCHMITT TRIGGER 
 
• Deslocando os Pontos de Comutação 
– Schmitt trigger não-inversor; 
 
 
 
DIFERENCIADOR 
 Produz uma tensão de saída proporcional à inclinação da tensão de entrada; 
• Aplicações: 
– Detecção das bordas anterior e posterior de uma onda retangular; 
– Ou a produção de uma saída retangular a partir de uma rampa. 
 
• Diferenciador RC 
 RC