O amplificador operacional desenhado encontra-se representado na Figura 6.8.
Figura 6.8 - Amplificador operacional implementado no software S-Edit da Tanner EDA.
A medição dos limites mínimo e máximo da excursão de entrada do amplificador operacional foi realizada com a montagem da Figura 6.9, que consiste numa configuração não-inversora de ganho 2, onde foi utilizada uma fonte de tensão com o valor de 10V (2×VDC) Esta fonte de tensão é ajustável com o objetivo de cancelar a tensão DC da saída (consequência da tensão DC na entrada). Desta forma, é garantido que a saída não ultrapassa os seus limites mínimo e máximo mesmo quando a tensão na entrada ultrapassa os limites da alimentação [39].
Na entrada do circuito da Figura 6.9 foi colocada uma onda triangular com frequência de 1kHz e cuja amplitude está relacionada com o valor escolhido para a fonte de tensão, VDC, através da Equação 6.2 e da Equação 6.3 [39]:
Amplitude máxima: 2,7 + 𝑉!" = 7,7𝑉
Equação 6.2
Amplitude mínima: −2,7 + 𝑉!" = 2,3𝑉
Equação 6.3
Figura 6.9 - Montagem para medição da excursão de entrada do amplificador operacional [39].
O resultado da simulação para medição da excursão de entrada encontra-se na Figura 6.10, representado pelo sinal a azul claro. Os limites mínimo e máximo obtidos foram 14mV e 4,96V, respetivamente.
Para a determinação da excursão de saída do amplificador proposto recorreu-se à montagem representada na Figura 6.11. Na entrada deste circuito foi colocada uma onda quadrada com uma amplitude de 0,5V e frequência de 1kHz [39].
Figura 6.11 - Montagem para medição da excursão de saída do amplificador operacional [39].
O resultado da simulação para medição da excursão de saída encontra-se na Figura 6.12, representado pelo sinal a azul claro, onde se pode verificar que os limites mínimo e máximo da excursão de saída são de 8uV e 4,96V, respetivamente.
Figura 6.12 - Resultado da simulação para medição da excursão de saída, onde a onda quadrada colocada à entrada se encontra representada a azul escuro e o sinal obtido à saída a azul claro.
A medição do slew rate do amplificador operacional foi feita recorrendo à montagem da Figura 6.13, onde é adotada uma configuração de seguidor de tensão com uma carga na
saída (condensador e resistência colocados em paralelo). Na entrada deste circuito foi colocada, mais uma vez, uma onda quadrada com frequência de 1kHz e amplitude de 0,5V.
Figura 6.13 - Montagem para medição do slew rate do amplificador operacional [39].
O resultado da simulação para medição do slew rate encontra-se representado na Figura 6.14, representado pelo sinal a azul claro. Para a determinação do mesmo, tanto na transição positiva como na negativa, verificaram-se os pontos correspondentes aos 10% e aos 90% do valor máximo [39], que correspondem a 0,25V e a 2,25V, respetivamente.
Desta forma, na transição positiva o slew rate é dado pela Equação 6.4:
𝑆𝑙𝑒𝑤 𝑅𝑎𝑡𝑒 = 𝑑𝑉 𝑑𝑡 =
2,25 − 0,25
0,62 − 0,32= 6,67𝑉/𝜇𝑠
Equação 6.4
Na transição negativa o valor do slew rate é dado pela Equação 6.5:
𝑆𝑙𝑒𝑤 𝑅𝑎𝑡𝑒 = 𝑑𝑉 𝑑𝑡 =
2,25 − 0,25
5,49 − 5,08= 4,88𝑉/𝜇𝑠
Figura 6.14 - Resultado da simulação para medição do slew rate, onde a onda quadrada colocada à entrada se encontra representada a azul escuro e o sinal obtido à saída a azul claro.
Para a determinação da tensão de offset do amplificador operacional implementou- se uma montagem inversora de ganho unitário, como se encontra representado na Figura 6.15, com uma fonte de tensão de 0V na entrada do circuito. Desta forma, é possível obter o valor de tensão à saída quando ambas as entradas são nulas.
Figura 6.15 - Montagem para medição da tensão de offset do amplificador operacional.
O valor obtido para a tensão de offset do amplificador implementado encontra-se representado na Figura 6.16, de onde se verifica que o seu valor é de 4,2uV.
Figura 6.16 - Resultado da simulação para medição da tensão de offset, resultante da colocação de entradas nulas no amplificador operacional.
A razão rejeição de modo comum (ou CMRR) é uma caraterística dos amplificadores operacionais reais e resulta da saída do amplificador não ser nula quando ambas as entradas se encontram ao mesmo potencial. Num amplificador ideal, a razão rejeição de modo-comum é infinita e esta grandeza é expressa em dB. Para a determinação do CMRR é comum a utilização do circuito da Figura 6.17.
Figura 6.17 - Montagem para medição da razão rejeição de modo-comum (CMRR) do amplificador operacional.
O valor da razão rejeição de modo-comum é dado pela Equação 6.6 e, em decibéis (dB), pela Equação 6.7:
𝐶𝑀𝑅𝑅 = ∆𝑉!" ∆𝑉!"# 1 + 𝑅! 𝑅! Equação 6.6 𝐺!" = 20𝑙𝑜𝑔!"(𝐶𝑀𝑅𝑅) Equação 6.7
O resultado da implementação do circuito da Figura 6.17, com a aplicação de uma fonte de tensão constante de 5V à entrada, encontra-se representado na Figura 6.18, onde se pode verificar que o valor obtido à saída é de 9,7mV. Desta forma, o valor de CMRR é dado pela Equação 6.8 e pela Equação 6.9:
𝐶𝑀𝑅𝑅 = 5 9,7𝑚 1 + 20𝑘 10𝑘 = 1546,39 Equação 6.8 𝐺!"= 20𝑙𝑜𝑔!" 1546,39 = 63,79𝑑𝐵 Equação 6.9
Figura 6.18 - Resultado da simulação para medição da razão rejeição de modo-comum (CMRR) do amplificador operacional.
A medição da resposta em frequência do amplificador operacional em malha aberta foi feita recorrendo ao circuito da Figura 6.19, com uma carga na saída. Visto que o
amplificador é de alimentação única, a entrada negativa foi colocada a meio da escala de alimentação, ou seja, 2,5V, correspondente a V-.
Figura 6.19 - Montagem para determinação da resposta em frequência em malha aberta do amplificador operacional.
Na Figura 6.20 encontra-se representada a resposta em frequência do amplificador em malha aberta, na qual se pode verificar que a frequência de ganho unitário, isto é, a frequência correspondente aos 0dB é de 2,23MHz.
Além disso, pela análise da resposta em frequência verifica-se que o ganho do amplificador em malha aberta é de 127dB.
O diagrama de fase do amplificador em malha aberta encontra-se representado na Figura 6.21, onde se pode verificar que a fase de ganho unitário, isto é, a fase correspondente à frequência de 2,23MHz, é de -123,3º, o que permite concluir que o amplificador é estável.
Figura 6.21 - Resultado da simulação para o diagrama de fase do amplificador operacional em malha aberta.
O circuito implementado para a determinação da resposta em frequência e do diagrama de fase do amplificador em malha fechada encontra-se representado na Figura 6.22, onde a configuração implementada é a de um seguidor de tensão.
Figura 6.22 – Montagem para determinação da resposta em frequência em malha fechada do amplificador operacional.
A resposta em frequência do amplificador em malha fechada encontra-se representada na Figura 6.23, onde se verifica que a frequência correspondente aos -3dB é de 3,12MHz
Figura 6.23 - Resultado da simulação para a resposta em frequência do amplificador operacional em malha fechada.
O diagrama de fase do amplificador em malha fechada encontra-se representado na Figura 6.24, de onde é possível extrair que a fase correspondente à frequência de 3,12MHz é de -67º.
Resumidamente, as caraterísticas obtidas em simulação do amplificador operacional implementado encontram-se descritas na Tabela 6.2.
Tabela 6.2 - Resumo das caraterísticas do amplificador operacional implementado.
Excursão de Entrada 14mV – 4,96V
Excursão de Saída 8uV – 4,96V
Slew Rate
Transição Negativa: 6,67 V/µs Transição Positiva: 4,88 V/µs
Tensão de Offset 4,2uV
Razão Rejeição de Modo-Comum
(CMRR) 63,79dB
Malha Aberta
Ganho: 127dB
Frequência de Ganho Unitário: 2,23MHz Fase de Ganho Unitário: -123,3º
Malha Fechada Frequência de Ganho Unitário: 3,12MHz
Fase de Ganho Unitário: -67º
As caraterísticas do amplificador que se revelam mais importantes para a aplicação são as excursões de entrada e saída e a tensão de offset. Uma vez que a aplicação está associada a valores de tensão reduzidos, é importante que as excursões de entrada e saída sejam de rail a rail, para assegurar que as pequenas tensões são lidas. Além disso, a maximização da excursão de saída permite uma maior resolução. Os valores de slew rate e respostas em frequência do amplificador não constituem parâmetros determinantes na seleção do amplificador, uma vez que o sinal é do tipo DC. Contudo, são parâmetros essenciais na caraterização de um amplificador, pelo que são também apresentados.