Medição analógica
Amplificador inversor de canal único com o amplificador operacional duplo Texas Instruments LM358, oferecendo ganho em malha fechada de -3.6 V/V com alimentação simétrica de ±12 V.
Visão geral do circuito
Clique em qualquer componente no esquema para ver seus parâmetros elétricos e função no circuito.
Este circuito implementa o amplificador inversor clássico da folha de dados Texas Instruments LM358 SLOS068AB Figura 8-1. Alimentado a partir de barramentos simétricos de ±12 V, fornece um ganho de tensão em malha fechada de Av = -RF / RI = -36 kΩ / 10 kΩ = -3.6 V/V. A alimentação dupla simétrica permite amplificar sinais bipolares (entrada de ±0.5 V produz saída de ∓1.8 V) referenciados ao terra. O alto ganho em malha aberta mantém a entrada inversora em terra virtual (0 V), enquanto a realimentação negativa garante elevada linearidade, resposta em frequência previsível até 152 kHz e baixa impedância de saída.
| Ganho em malha fechada (Av) | -3.6 V/V (-11.13 dB, inversão de fase de 180°) |
|---|---|
| Resistor de entrada (RI / R1) | 10 kΩ, 1%, 0.125 W |
| Resistor de realimentação (RF / R2) | 36 kΩ, 1%, 0.125 W |
| Faixa de sinal de entrada (VI) | ±0.5 V nominal (1.0 V pico a pico) |
| Faixa de sinal de saída (VO) | ∓1.8 V nominal (3.6 V pico a pico) |
| Barramentos de alimentação (V+ / V-) | ±12 V simétrica (faixa de operação de ±1.5 V a ±16 V) |
| Largura de banda para pequenos sinais (-3 dB) | ≈ 152 kHz (GBW = 0.7 MHz, ganho de ruído = 4.6) |
| Impedância de entrada (ZIN) | 10 kΩ (definida por R1) |
O amplificador operacional LM358 é alimentado a partir de barramentos simétricos de ±12 V (+12 V conectado ao pino 8 V+, -12 V conectado ao pino 4 V-). Os barramentos simétricos garantem que o estágio de saída complementar classe AB possa excursionar sem distorção nos sentidos positivo e negativo em relação ao terra de 0 V, possibilitando amplificação limpa de sinais CA e CC bipolar.
A entrada não inversora (IN+ / pino 3) é conectada diretamente ao terra do circuito (0 V). O estágio diferencial interno do operacional e seu enorme ganho em malha aberta (A_OL ≈ 100 dB) atuam por meio da malha de realimentação negativa para forçar a tensão diferencial V_ID = V+ - V- a praticamente zero volt. Como consequência, o nó inversor no pino 2 permanece em 0 V, formando um terra virtual ideal.
Como os transistores de entrada Darlington PNP do LM358 exigem corrente de polarização mínima (IB ≈ 20 nA típica), a corrente proveniente do resistor de entrada R1 flui quase que integralmente através do resistor de realimentação R2. Aplicando a Lei das Correntes de Kirchhoff no nó de terra virtual:
IIN = (VIN - 0V) / (RI) = (0V - VOUT) / (RF)Isolando a tensão de saída V_OUT, obtém-se a clássica equação de transferência do amplificador inversor:
VOUT = -VIN × (RF) / (RI) = -VIN × (36kΩ) / (10kΩ) = -3.6 × VINUm sinal de entrada de ±0.5 V tem sua fase invertida em 180° e é escalado para ∓1.8 V.
Devido à presença do terra virtual no terminal inversor, a impedância de entrada do circuito é definida unicamente pelo resistor em série R1:
ZIN = RI = 10kΩAo contrário dos estágios não inversores que oferecem impedância na faixa de gigaohms, o amplificador inversor drena da fonte uma corrente de I_IN = ±0.5 V / 10 kΩ = ±50 µA. Geradores de sinal precedentes devem apresentar baixa impedância de saída (< 10 Ω) para evitar atenuação no ganho efetivo.
O LM358 apresenta um produto ganho-largura de banda (GBW) de 0.7 MHz (700 kHz) e uma taxa de subida de 0.3 V/µs. Com um ganho de ruído em malha fechada A_N = 1 + RF / RI = 1 + 3.6 = 4.6 V/V, a largura de banda para pequenos sinais (-3 dB) resulta em:
f-3dB ≈ (GBW) / (1 + (RF) / (RI)) = (700kHz) / (4.6) ≈ 152 kHzPara excursões de grande amplitude (3.6 V pico a pico), a largura de banda em plena potência é limitada pela taxa de subida de 0.3 V/µs a aproximadamente 26.5 kHz antes que ocorra distorção triangular da senoide.
Calcula a tensão de saída invertida a partir da razão entre as resistências de realimentação e entrada.
| Símbolo | Parâmetro | Valor típico |
|---|---|---|
| VOUT | Tensão de saída amplificada | -1.8V |
| VIN | Tensão do sinal de entrada | 0.5V |
| RF | Resistor de realimentação | 36kΩ |
| RI | Resistor de entrada | 10kΩ |
Calcula o corte de alta frequência a -3 dB a partir do produto GBW e do ganho de ruído.
| Símbolo | Parâmetro | Valor típico |
|---|---|---|
| f_{ − 3dB} | Frequência de corte a -3 dB | 152.2kHz |
| GBW | Produto ganho-largura de banda (GBW) | 700kHz |
| RF | Resistor de realimentação | 36kΩ |
| RI | Resistor de entrada | 10kΩ |
Calcula a frequência máxima admissível na amplitude de pico sem distorção por taxa de subida.
| Símbolo | Parâmetro | Valor típico |
|---|---|---|
| fFPBW | Largura de banda em plena potência | 26.5kHz |
| SR | Taxa de subida do amplificador operacional | 0.3V/µs |
| VP | Amplitude de pico da tensão de saída | 1.8V |
Todas as peças necessárias para montar este circuito. Selecione uma referência para inspecioná-la no esquema.
| Ref. | Componente | Valor | Encapsulamento | Função no circuito | Referência |
|---|---|---|---|---|---|
| Amplificador operacional duplo Texas Instruments LM358P, SLOS068AB Rev. AB; Pino 1 OUT1, Pino 2 IN1-, Pino 3 IN1+, Pino 4 GND/V-, Pino 8 V+. | LM358P | PDIP-8 | Amplificador operacional inversor (canal A utilizado) | Amplificador operacional duplo: pinagem e folha de dados | |
| Resistor em série de entrada Resistor de filme metálico de 10 kΩ, 1%, 0.125 W. Define a impedância de entrada em 10 kΩ. | 10kΩ | Axial / 0805 | Escalonamento do sinal de entrada e definição de impedância | — | |
| Resistor de realimentação Resistor de filme metálico de 36 kΩ, 1%, 0.125 W. Define o ganho em malha fechada em -3.6 V/V. | 36kΩ | Axial / 0805 | Malha fechada de realimentação negativa | — |
Armadilhas encontradas em montagens reais, com a solução de cada uma.
Quando a corrente de saída inverte de sentido através de 0 V entre fornecer e drenar corrente, o estágio de saída complementar classe AB do LM358 entra em zona morta, gerando picos espúrios de alta frequência em formas de onda senoidais.
Conecte um resistor pull-down externo (de 2 kΩ a 10 kΩ) da saída (pino 1) para o barramento negativo (-12 V). Isso mantém o transistor NPN superior fornecendo corrente continuamente, forçando operação em classe A pura.
Os transistores Darlington PNP de entrada do LM358 apresentam corrente de polarização (IB ≈ 20 nA a 100 nA) que sai de ambas as entradas em direção ao terra. Aterrar IN+ diretamente com 0 Ω cria uma queda de tensão assimétrica sobre o paralelo RI || RF (7.83 kΩ), amplificando um offset CC na saída.
Insira um resistor de compensação RP = RI || RF ≈ 7.5 kΩ a 8.2 kΩ em série entre a entrada não inversora IN+ (pino 3) e o terra para equalizar as resistências CC em ambas as entradas.
Com uma modesta taxa de subida de 0.3 V/µs, excitar sinais de grande amplitude (3.6 V p-p) acima de 26 kHz causa limitação por slew rate, deformando ondas senoidais em formatos triangulares.
Restrinja sinais de grande amplitude a frequências abaixo de 25 kHz, ou adote um amplificador operacional compatível mais veloz como o TL072 (13 V/µs) ou OPA2134 (20 V/µs).
Como a impedância de entrada do circuito é determinada unicamente por RI (10 kΩ), qualquer resistência interna da fonte de sinal R_fonte soma-se diretamente a RI, reduzindo o ganho real para -RF / (RI + R_fonte).
Excite o estágio inversor a partir de um buffer de baixa impedância (< 10 Ω) ou compense RI subtraindo o valor conhecido da resistência de fonte.
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