Trabalho Filtros Ativos

FACULDADE PITÁGORAS ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO PESQUISA DE ELETRÔNICA ANALÓGICA II FILTROS ATIVOS E AMPLIFICADORES OPERACIONAIS PAULO DELGADO DE OLIVEIRA - R.A.: 529586 Votorantim 2013 FACULDADE PITÁGORAS ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO PESQUISA DE ELETRÔNICA ANALÓGICA II FILTROS ATIVOS E AMPLIFICADORES OPERACIONAIS Pesquisa realizada como complemento da disciplina Eletrônica Analógica II, sob orientação do professor Heverton Bacca Sanches. PAULO DELGADO DE OLIVEIRA - R.A.: 529586 Votorantim 2013  Sumário 1. Introdução 4 2. Amplificador Operacional (AOP) 5 2.1. Definição 5 2.2. Funcionamento 6 2.3. Características Ideais do AOP 7 2.3.1. Impedâncias de Entrada e Saída 7 2.3.2. Ganho de Tensão 8 2.3.3. Resposta de Frequência (BW) 9 2.3.4. Sensibilidade à Temperatura (DRIFT) 9 2.4. Modos de Operação 10 2.4.1. Sem Realimentação 10 2.4.2. Realimentação Positiva 10 2.4.3. Realimentação Negativa 11 2.5. Alimentação do AOP 11 3. Filtros Ativos 12 3.1. Definição 12 3.2. Classificação 14 3.2.1. Filtro Passa-Baixas (PB) 14 3.2.2. Filtro Passa-Altas (PA) 14 3.2.3. Filtro Passa-Faixa (PF) 15 3.2.4. Filtro Rejeita-Faixa (RF) 15 4. Conclusão 16 5. Referências Bibliográficas 17  Índice de Figuras Figura 1: Simbologia do AOP 5 Figura 2: Amplificador com entradas alimentadas 6 Figura 3: Circuito alimentado 7 Figura 4: Circuito sem realimentação 10 Figura 5: Circuito com realimentação positiva 10 Figura 6: Circuito com realimentação negativa 11 Figura 7: Terminais de alimentação do AOP 11 Figura 8 – Filtragem de sinal 12 Figura 9 – Sinal com ruído ou perturbação 13 Figura 10 – Sinal filtrado ou sem ruído 13 Figura 11 – Simbologia filtro PB e sua curva característica 14 Figura 12 – Simbologia filtro PA e sua curva característica 14 Figura 13 – Simbologia filtro PF e sua curva característica 15 Figura 14 – Simbologia filtro RF e sua curva característica 15  Introdução Esta pesquisa tem como objetivo aprofundar o conhecimento na disciplina de Eletrônica Analógica II, tendo como principal base de pesquisa os filtros ativos e amplificadores operacionais para compreender suas definições, funcionamento e aplicações comparando suas características ideais com as reais.  Amplificador Operacional (AOP) Definição O AOP é um amplificador CC multiestágio com entrada diferencial cujas características se aproximam das de um amplificador ideal. As características ideais de um AOP são: Impedância de entrada infinita; Impedância de saída nula; Ganho infinito de tensão; Resposta de frequência infinita; Insensibilidade à temperatura. Figura 1: Simbologia do AOP V- => entrada inversora V+ => entrada não-inversora V0 => saída O AOP possui duas entradas e uma saída, que possui um valor múltiplo da diferença entre as duas entradas. O fator A é o ganho de tensão do amplificador operacional, ou seja, a relação entre a tensão de entrada diferencial e a saída do dispositivo: V0 = A.[ (V+) - (V-) ] Funcionamento Considerando o circuito abaixo: Figura 2: Amplificador com entradas alimentadas Supondo que o ganho A seja de 100.000, obetmos a tensão de saída V0: V0 = A.[ (V+) - (V-) ] V0 = 100000 .[ (4,75 . 10 -3) - (4,8 . 10 -3) ] V0 = -5V Por definição, sempre que o fator A será positivo e sempre que V1 – V2 for menor que zero a tensão de saída será negativa ou vice versa.  Características Ideais do AOP As características ideias são aquelas as quais o amplificador deveria ter, no entanto os AOP reais tentam se aproximar dessas características ideais. Impedâncias de Entrada e Saída Consideramos o circuito abaixo que representa o modelo de uma fonte alimentando um amplificador, e este, alimentando uma carga: Figura 3: Circuito alimentado Sendo: Vi – gerador; Ri – resistência interna do gerador; Zi – impedância de entrada do amplificador; V0 – gerador do sinal amplificado (A . VZi); Z0 – impedância de saída do amplificador; RL – carga. Então como observado no modelo anterior, podemos determinar que a tensão de entrada no amplificador (VZi) é dada por: VZi = . Vi Ou seja, quanto maior for o valor da impedância de entrada (Zi) do amplificador, maior será o percentual de tensão do gerador na entrada no amplificador, portanto podemos concluir que: Zi → ∞ VZi → Vi Já em relação à impedância de saída (Z0), a partir da equação da malha de saída do amplificador, podemos concluir que: VRL = V0 - IL . Z0 Portanto, para se obter todo o sinal de saída sobre a carga, é necessário que a impedância de saída do amplificador seja muito baixa, ou seja: Z0 → 0 VRL → V0 Geralmente nos manuais de fabricante são fornecidos os valores das resistências (impedâncias) de entrada e saída do AOP, as quais representamos, respectivamente por Ri e R0. Ganho de Tensão Para que a amplificação seja viável, inclusive para sinais de baixa amplitude, como sensores, é necessário que o amplificador possua um alto ganho de tensão. Idealmente esse ganho seria infinito. Nos manuais dos fabricantes encontra-se o valor do ganho de tensão dos AOP, o qual representamos por AV. Para o AOP 741 o valor típico de AV é de 200.000, porém existem AOP com AV da ordem de 107 ou mais. Resposta de Frequência (BW) É necessário que um amplificador tenha uma largura de faixa muito ampla, de modo que um sinal de qualquer frequência possa ser amplificado sem sofrer corte ou atenuação. Idealmente BW deveria se estender desde zero a infinitos hertz. Nos manuais dos fabricantes encontra-se o valor de largura de faixa máxima do AOP, geralmente de maneira gráfica, a qual representamos genericamente por BW (bandwidth). Sensibilidade à Temperatura (DRIFT) As variações térmicas podem provocar alterações acentuadas nas características elétricas de um amplificador. Esse fenômeno é chamado de DRIFT. Seria ideal que um AOP não apresentasse sensibilidade às variações de temperatura. Nos manuais de fabricantes encontram-se os valores das variações de corrente e tensão no AOP, provocadas pelo aumento de temperatura. A variação da corrente é representada por ∆I/∆T e seu valor é fornecido em nA/°C. A variação da tensão é representada por ∆V/∆T e seu valor é fornecido em μV/°C.  Modos de Operação Sem Realimentação Este modo é também denominado operação em malha aberta e o ganho do AOP é estipulado pelo próprio fabricante, ou seja, não se tem controle sobre o mesmo. Esse tipo de operação é muito útil quando se utiliza circuitos comparadores. Na figura abaixo temos um AOP em malha aberta. Figura 4: Circuito sem realimentação Realimentação Positiva Esse tipo de operação é denominada operação em malha fechada. Apresenta como inconveniente o fato de conduzir o circuito à instabilidade. Uma aplicação prática da realimentação positiva está nos circuitos oscilados. Figura 5: Circuito com realimentação positiva Realimentação Negativa Esse modo de operação é o mais importante em circuitos com AOP, também é um modo de operação em malha fechada, porém com resposta linear e ganho controlado. Figura 6: Circuito com realimentação negativa Alimentação do AOP Os AOP são comumente representados pela simbologia abaixo, onde são representados seus terminais de alimentação, denominados +V e –V: Figura 7: Terminais de alimentação do AOP Esses valores representam o máximo de tensão (positiva ou negativa) que o dispositivo poderá fornecer. Num primeiro momento, idealmente, fixemos que esses são os potenciais extremos do dispositivo e, posteriormente, analisaremos situações específicas. Filtros Ativos Definição Um filtro elétrico é um quadripolo capaz de atenuar determinadas frequências do espectro do sinal de entrada e permitir a passagem das demais. É chamado de espectro de um sinal a sua decomposição numa escala de amplitude x frequência. Isso é feito através das séries de Fourier ou utilizando um analisador de espectro. Notemos que enquanto um osciloscópio é um instrumento para análise de um sinal no domínio do tempo, o analisador de espectro é um instrumento para análise de um sinal no domínio da frequência. A primeira geração de filtros ativos foi construída tendo as válvulas como elementos ativos. Eram filtros de alto consumo de potência, alta margem de ruídos, baixo ganho, etc. A segunda geração de filtros ativos utilizava os transistores e, sem dúvida, as vantagens sobre a primeira geração foram marcantes, mas tais filtros ainda deixavam muito a desejar. A terceira geração utiliza os amplificadores operacionais como elementos ativos. A alta resistência de entrada e a baixa resistência de saída dos AOPs, associados a suas outras características, permitem a implementação de filtros de ótimas qualidades. A principal função dos filtros é filtrar o sinal eliminando o ruído, ou seja, a perturbação que pode influenciar na leitura e análise do sinal requerido na saída do amplificador. Figura 8 – Filtragem de sinal Filtragem do sinal: O sinal é mantido; O ruído é eliminado. Figura 9 – Sinal com ruído ou perturbação Figura 10 – Sinal filtrado ou sem ruído Classificação Os filtros podem ser classificados sob três aspectos: quanto à função executada; quanto à tecnologia aplicada; quanto à função-resposta ou aproximação utilizada. O primeiro nos permite considerar quatro tipos básicos de filtros: Filtro Passa-Baixas (PB) Só permite a passagem de frequências abaixo de uma frequência determinada fc (frequência de corte). As frequências superiores são atenuadas. Figura 11 – Simbologia filtro PB e sua curva característica Filtro Passa-Altas (PA) Só permite a passagem de frequências acima de uma frequência determinada fc (frequência de corte). As frequências inferiores são atenuadas. Figura 12 – Simbologia filtro PA e sua curva característica Filtro Passa-Faixa (PF) Só permite a passagem das frequências situadas numa faixa delimitada por uma frequência de corte inferior (fc1) e outra superior (fc2). As frequências situadas abaixo da frequência de corte inferior ou acima da frequência de corte superior são atenuadas. Figura 13 – Simbologia filtro PF e sua curva característica Filtro Rejeita-Faixa (RF) Só permite a passagem das frequências situadas abaixo de uma frequência de corte inferior (fc1) ou acima de uma frequência de corte superior (fc2). A faixa de frequências delimitada por fc1 e fc2 é atenuada. Figura 14 – Simbologia filtro RF e sua curva característica  Conclusão Concluímos com esta pesquisa que nosso estudo sobre os amplificadores operacionais traz a realidade de como esses componentes são importantes na eletrônica analógica e que com eles podemos amplificar o sinal, bem como manipular seus ganhos que influenciam diretamente nas características básicas de cada tipo de amplificador. Concluímos também que os filtros ativos são grandes aliados na eliminação do ruído ou perturbação que pode afetar diretamente a qualidade do sinal, e que através dessa filtragem o ruído é eliminado e o sinal é mantido para que possa ser analisado sem o incomodo do ruído.  Referências Bibliográficas PERTENCE JÚNIOR, Antonio. Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos. 6ª Ed. Porto Alegre: Bookman, 2003. 302p. 18