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Amplificador Operacional: Calibre de Offset y Aplicaciones Freddy Lapo, David Ricaurte Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Escuela de Ingeniería Electrónica en Control y Redes Industriales [email protected] [email protected]

Resumen- En este documento se presenta el desarrollo de práctica acerca del amplificador operacional UA741CP/LM741, el cual a través del circuito a implementar se analizara su modo de operación, características de funcionamiento de acuerdo a su hoja técnica (Datasheet), la configuración en la que se encuentra el opam, ganancia, parámetros del amplificador operacional y el tipo de respuesta dependiendo a las modificaciones que se realice en el diseño del circuito. Palabras Clave. Ganancia.

–

Amplificador

operacional,

de los amplificadores operacionales operan con dos voltajes de alimentación de cd, una positiva y la otra negativa, como muestra la figura 2, aun cuando algunos tienen una sola fuente de cd. Casi siempre estas terminales de voltaje de cd se dejan afuera del símbolo esquemático por simplicidad aunque se entiende que allí están. En la figura 3 se muestran algunas cápsulas de circuito integrado típicas de amplificador operacional.

Respuesta,

Abstract- This document presents the practical development about the operational amplifier UA741CP / LM741, which through the circuit to be implemented will analyze its mode of operation, operating characteristics according to its datasheet, configuration in which is the opam, gain, parameters of the operational amplifier and the type of response depending on the modifications made in the circuit design.

I. INTRODUCCIÓN Los primeros amplificadores operacionales (amps-op) fueron utilizados principalmente para realizar operaciones matemáticas tales como adición, sustracción, integración y diferenciación, de ahí el término operacional. Estos primeros dispositivos se construyeron con tubos de vacío y funcionaban con altos voltajes. Los amplificadores operacionales actuales son circuitos integrados lineales (IC) que utilizan voltajes de cd relativamente bajos y son confiables y baratos. [1]

II. MARCO TEÓRICO Amplificador Operacional (amp-op) El símbolo del amplificador operacional (amp-op) estándar se muestra en la figura 1.

Figura 2. Símbolo con conexión a fuente cd

Figura 3. Encapsulados tipicos

Amplificador Inversor Un amplificador operacional conectado como amplificador inversor con una cantidad controlada de ganancia de voltaje se muestra en la figura 4. La señal de entrada se aplica a través de un resistor de entrada Ri conectado en serie con la entrada inversora (-). Asimismo, la salida es realimentada a través de Rf a la misma entrada. La entrada no inversora (-) se conecta a tierra.

Figura 1. Símbolo amp-op

Tiene dos terminales de entrada, la entrada inversora (-) y la entrada no inversora (+), y una terminal de salida. La mayoría

Figura 4. Amplificador Inversor

Figura 7. Amplificador inversor Figura 5. Tierra Virtual

Impedancia de entrada: La impedancia de entrada de un amplificador inversor es:

𝑍𝑒𝑛𝑡(𝐼) ≅ 𝑅𝑖 Impedancia de salida: Como con un amplificador no inversor, la realimentación negativa reduce la impedancia de salida de un amplificador inversor. En realidad, la expresión es la misma que para el caso no inversor. Figura 6. Ient = If y corriente en la entrada inversora (I1) es cero Ecuación

El voltaje a través de Rf es igual a –Vsal debido a la tierra virtual y por consiguiente:

𝑅𝑓 𝑉𝑠𝑎𝑙 =− 𝑉𝑒𝑛𝑡 𝑅𝑖 Desde luego, Vsal/Vent es la ganancia total del amplificador inversor:

𝐴𝑐𝑙(𝐼) = −

𝑅𝑓 𝑅𝑖

𝑍𝑠𝑎𝑙(𝐼) =

𝑍𝑠𝑎𝑙 1 + 𝐴𝑜𝑙 𝐵

La impedancia de salida tanto del amplificador no inversor como inversor es muy baja; de hecho, es casi cero en los casos prácticos. Debido a esta impedancia de salida casi cero, cualquier impedancia de carga dentro los límites se pueden conectar a la salida del amplificador operacional sin que cambie el voltaje de salida. Los límites para la impedancia de carga son determinados por la excursión máxima pico a pico de la salida (VO(p-p) y el límite para la corriente del amplificador operacional. Amplificador no inversor

La ecuación muestra que la ganancia de voltaje en lazo cerrado del amplificador inversor Acl(1) es la relación de la resistencia de realimentación (Rf) a la resistencia de entrada (Ri). La ganancia en lazo cerrado es independiente de la ganancia en lazo abierto interna del amplificador operacional. Por lo tanto, la realimentación negativa estabiliza la ganancia de voltaje. El signo negativo indica inversión.

En la figura 8 se muestra un amplificador operacional conectado en una configuración en lazo cerrado como amplificador no inversor con una cantidad controlada de ganancia de voltaje.

Impedancias de un amplificador inversor Las impedancias de entrada y salida de una configuración de amplificador operacional inversor se desarrollan con la ayuda de la figura 7. Se aplica tanto la señal de entrada como la realimentación negativa, por conducto de los resistores, a la terminal (-), como se muestra.

Figura 8. Amplificador No inversor

Se aplica la señal de entrada a la entrada no inversora (+). La salida se vuelve a aplicar a la entrada inversora (-) por conducto del circuito de realimentación (lazo cerrado) formado por el resistor de entrada Ri y el resistor de realimentación Rf. Esto crea realimentación negativa de la manera descrita a

continuación. Los resistores Ri y Rf forman un circuito divisor de voltaje que reduce Vsal y conecta el voltaje reducido Vf a la entrada inversora. El voltaje de realimentación se expresa como:

e.

Cuál es la corriente máxima ante un corto circuito en la salida de un LM741/UA741CP? Ios=±40mA

f.

Cuál es la corriente de alimentación máxima de consumo del LM741/UA741CP? Iib=800nA

g.

Cuál es la potencia máxima de consumo del LM741/UA741CP a temperatura ambiente? TA≤25°C, P=500mW

h.

Cuál es el ancho de banda del LM741/UA741CP para una ganancia unitaria? GBP=1MHz

i.

En que configuración de retroalimentación y amplificación se encuentra el LM741/UA741CP de la Figura 9? Retroalimentación Negativa configuración Inversora y la amplificación es de:

Vf=Vent 𝑅𝑖 𝑉𝑓 = ( ) 𝑉𝑠𝑎𝑙 𝑅𝑖 + 𝑅𝑓 𝑽𝒔𝒂𝒍 𝑹𝒇 = ( + 𝟏) 𝑽𝒆𝒏𝒕 𝑹𝒊 La ganacia en lazo cerrado será: 𝑨𝒄𝒍(𝑵𝑰) =

𝑹𝒇 +𝟏 𝑹𝒊

Observe que la ganancia de voltaje en lazo cerrado no depende del todo de la ganancia de voltaje en lazo abierto del amplificador operacional en la condición AolB>>1 La ganancia en lazo cerrado se ajusta seleccionando los valores de Ri y Rf. [2]

𝑨= j.

III. PROCEDIMIENTO Implantación de un circuito con Retroalimentación negativa y configuración inversora

1.

𝑹𝟐 𝟏𝒌𝒐𝒉𝒎 = =𝟏 𝑹𝟏 𝟏𝒌𝒐𝒉𝒎

Cuál es la ganancia en dB del circuito de la Figura 8, y que sucede con la fase de la señal de salida? (Recuerde que Av(dB)=20log10(Vo/Vi))

Implemente el circuito electrónico mostrado en la Figura 1. Considere R1=1k, R2=1k, +Vsupply=+12V y -Vsupply=-12V. Observe que el circuito se alimenta con voltajes simétricos y consulte el datasheet para obtener referencias sobre la configuración de los terminales del IC. Además, conteste las siguientes preguntas usando el datasheet. Figura 9

a.

Cuál es la impedancia de entrada típica del LM741/UA741CP? Impedancia típica del amplificador UA741 es 2MΩ

b.

Cuál es la alimentación de voltaje nominal que soporta el LM741/UA741CP? Vcc=+18V Vee=-18V

c.

Cuál es la corriente de entrada máxima que permite el LM741/UA741CP a temperatura ambiente? T=25°C I=500nA

d.

Cuál es el máximo voltaje de salida (Output voltaje swing) que puede entregar el LM741/UA741CP cuando es alimentado con ±15V? Vos=±14V

𝑽𝒐 𝑨𝒗(𝒅𝑩) = 𝟐𝟎𝒍𝒐𝒈𝟏𝟎 ( ) 𝑽𝒊 𝑨𝒗(𝒅𝑩) = 𝟐𝟎𝒍𝒐𝒈𝟏𝟎 (𝟏) 𝑨𝒗(𝒅𝑩) = 𝟎 La señal de salida sera siempre negativa por lo que estara desfasa con 180°. 2.

Verificación del funcionamiento del circuito de la Figura 8. a.

Con el circuito apagado, conecte a la entrada no invertente del LM741/UA741CP la señal salida de un potenciómetro de 10K (terminal intermedio) conectado por sus extremos a -5V y +5V. Ajuste el potenciómetro hasta obtener los voltajes de entrada al OPAMP que se detallan en la Tabla 1. Conecte una resistencia de carga de 2.2K a la salida del LM741/UA741CP. Verifique los resultados a través de los cálculos.

Figura 10. Diseño de Amplificador No inversor

Vinput -1.5 V 0V +1.5 V

Vo -3 0 3

Iinput 0 0 0

Ioutput -1.4mA 0 1.4mA

Figura 11. Diseño de Amplificador con ganancia 4 < Av < 5

Valores Calculados  Vi= -1.5V 𝑹𝒇 𝑽𝒐 = ( + 𝟏) 𝑽𝒊 𝑹𝒊 1𝑘𝑜ℎ𝑚 𝑉𝑜 = ( + 1) (−1.5) 1𝑘𝑜ℎ𝑚 𝑉𝑜 = −3𝑉 

Figura 12. Implementación del Circuito electrónico

a.

Vi= +1.5V

𝑹𝒇 𝑽𝒐 = ( + 𝟏) 𝑽𝒊 𝑹𝒊 1𝑘𝑜ℎ𝑚 𝑉𝑜 = ( + 1) (1.5) 1𝑘𝑜ℎ𝑚 𝑉𝑜 = 3𝑉 Idealmente las corrientes son cero ya que el voltaje en la entada inversora es cero para el análisis matemático.

3.

En el siguiente espacio, diseñe e implemente un amplificador con ganancia de voltaje 4 < Av < 5 y cuya salida tiene un desfase de 180° respecto a su entrada.

𝑨𝒗 = |−

𝑹𝟐 𝟗𝑲𝒐𝒉𝒎 |= = 𝟒. 𝟓 𝑹𝟏 𝟐𝑲𝒐𝒉𝒎

Desfase a la salida en 180° con respecto a la entrada inversora

Con el circuito apagado, conecte a la entrada no invertente del LM741 la señal salida de un potenciómetro de 10K (terminal intermedio) conectado por sus extremos a -5V y +5V. Ajuste el potenciómetro hasta obtener los voltajes de entrada al OPAMP que se detallan en la Tabla 2. Conecte una resistencia de carga de 2.2K a la salida del LM741. Verifique los resultados a través de los cálculos. Vinput -1.0 V 0V

Vo -2V 0

Iinput 222.04nA 0

Ioutput -909.18uA 0

+0.8 V

1.62V

111.02nA

736.21uA

Valores Calculados  Vi= -1.0V 𝑹𝒇 𝑽𝒐 = ( + 𝟏) 𝑽𝒊 𝑹𝒊 1𝑘𝑜ℎ𝑚 𝑉𝑜 = ( + 1) (−1) 1𝑘𝑜ℎ𝑚 𝑉𝑜 = −2𝑉 

Vi= +0.8V

𝑹𝒇 𝑽𝒐 = ( + 𝟏) 𝑽𝒊 𝑹𝒊 1𝑘𝑜ℎ𝑚 𝑉𝑜 = ( + 1) (0.8) 1𝑘𝑜ℎ𝑚 𝑉𝑜 = 1.6𝑉 Idealmente las corrientes son cero ya que el voltaje en la entada inversora es cero para el análisis matemático, valores de corriente muy pequeño considerando cero por el cortocircuito virtual.

4.

Sin cambiar la configuración del circuito anterior, desconecte el potenciómetro de entrada y conecte un generador de señal configurado para una señal sinusoidal con Vp=0.5V y Voffset = 0V. Ajuste la frecuencia de la señal de acuerdo a la Tabla 3 y llene con los siguientes resultados.

Av = Vo/Vi 2

Av en dB

1

Vinput en Vpp 706.9mV

Tabla 3 Voutput en Vpp 1.413V

10

706.9mV

1.414V

2

6.02 dB

100

707.1mV

1.414V

2

6.02 dB

1k

707.1mV

1.414V

2

6.02 dB

10k

707.1mV

1.414V

2

6.02 dB

50k

708.1mV

1.335V

1.88

5.48dB

100k

704.9mV

720.4mV

1.02

0.17dB

300k

707.3mV

236mV

0.33

-9.63dB

500k

707.5mV

141.8mV

0.20

-13.98dB

800k

707.1mV

99.8mV

0.14

-17.1dB

F [Hz]

a.

Grafica F[Hz] vs Av[dB] 20 15

Av [Hz]

0.1

6.02

6.02

6.02

5

6.02 5.48 0.17

0 -5

10

1000

-10

-20

100000 -9.63 -13.98 -17.1

-15

La realimentación negativa ocurre cuando una parte del voltaje de salida se conecta de vuelta a la entrada inversora, de modo que se resta del voltaje de entrada, reduciéndose así la ganancia de voltaje pero incrementando la estabilidad y el ancho de banda.



Una configuración de amplificador no inversor tiene una impedancia de entrada más alta y una impedancia de salida más baja que el amplificador operacional mismo (sin realimentación).

6.02 dB

Grafique los resultados obtenidos para Av en dB en función de la Frecuencia. Idealice una escala logarítmica para el eje de la Frecuencia.

10 6.02



F[Hz]

IV. CONCLUSIONES 

El amplificador operacional ideal tiene una impedancia de entrada infinita, una impedancia de salida cero, una ganancia de voltaje en lazo abierto infinita y un ancho de banda infinito.



La ganancia de voltaje en lazo abierto es la ganancia de un amplificador operacional sin conexiones de realimentación externas.

V. RECOMENDACIONES 

Familiarizarnos con el uso de los transistores, en forma experimental, revisando los datos técnicos de cada uno de los dispositivos para el funcionamiento.



No invertir la polaridad de la fuente de alimentación sin haber revisado antes el circuito y terminales superiores o inferiores positivo y negativo de los opam’s.



Todo el cableado debe hacerse con las fuentes apagadas. REFERENCIAS

[1]

Thomas L. Floyd, “Dispositivos Electrónicos”, Introducción a los amplificadores operacionales, 8va Edición, pp. 593.

[2]

Thomas L. Floyd, “Dispositivos Electrónicos”, Amplificadores Operacionales con Retroalimentación Negativa, 8va Edición, pp. 600610.