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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO ABRIL /2016 – SEPTIEMBRE

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial

Tema:

“Amplificador Operacional Diferencial”

Carrera:

Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones

Ciclo Académico:

5º “A” Electrónica

Integrantes:

Karla Chicaiza María Elena Moscoso Estefanía Yánez

Módulo:

Circuitos Electrónicos II AMBATO - ECUADOR 2016

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INFORME DE LABORATORIO 1. TEMA:

“Amplificador Operacional Diferencial” 2. OBJETIVOS

2.1.

Objetivo General Estudiar el Funcionamiento de un Amplificador Operacional Diferencial.

2.2.

   

3.

Objetivos Específicos Analizar las características de un amplificador operacional diferencial. Diseñar el circuito diferenciador y simular en software Proteus para verificar su funcionamiento. Implementar físicamente el circuito en una protoboard. Medir la ganancia de voltaje con un multímetro y comprobarlos con los cálculos realizados al alimentar al circuito con dos señales de voltaje diferentes.

RESUMEN

La presente práctica se refiere al estudio de un Amplificador Operacional Diferencial en donde se conocerá las principales características y sus respectivo funcionamiento, para ello se diseñara el circuito utilizando un Amplificador Operacional LM741, además se utilizarán resistencias y principalmente se utilizarán dos fuentes de voltaje variable de corriente continua para así obtener la ganancia de voltaje o el voltaje de salida producido por la diferencia de las dos señales de voltaje que se ingresan. El circuito se lo simulará en software Proteus el mismo que nos ayudará a verificar su funcionamiento ya que este cuenta con todos los equipos y materiales que se necesitan. A continuación se procederá a implementarlo en una protoboard, en él se medirá con un multímetro la ganancia de voltaje y se los comprobará con los cálculos realizados. 4.

INTRODUCCIÓN

Un Amplificador Operacional es un instrumento que permite amplificar la señal de entrada, para que su nivel en la salida sea más alto. Las características de operación están determinadas por los elementos de alimentación utilizados. Al cambiar los tipos y disposición de los elementos de realimentación se pueden implementar diferentes operaciones analógicas, de esta forma el amplificador es capaz de realizar diversas operaciones. Una de las aplicaciones es el Amplificador Diferencial el cual nos permite medir la ganancia de tensión que es producida por la diferencia de dos señales diferentes de voltaje.

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5.

EQUIPOS Y MATERIALES

       

6.

1 Panel de señales. 2 Voltímetros. 4 Resistencias de 10k. Resistencias de valores de ohmeaje parecido para pruebas. 1 Integrado LM741. 1 Protoboard. Cables Varios. Software de simulación.

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

Amplificador Operacional: Los amplificadores operacionales permiten implementar la función de control realizando diversas operaciones matemáticas, como sumas, restas, multiplicaciones, derivadas e integrales. De allí su nombre de amplificadores operacionales. [1]

Fig. N°1: Amplificador Operacional Básico

Características principales:     

La impedancia de entrada es muy alta, del orden de MΩ. La impedancia de salida es muy baja, del orden de 1 Ω. Las entradas apenas drenan corriente, por lo que no suponen una carga. La ganancia es muy alta, del orden de 105 y mayor. En lazo cerrado, las entradas inversora y no inversora son prácticamente iguales.

Tipos de Amplificadores Operacionales:  Amplificador Inversor: Es un circuito de ganancia constante más ampliamente utilizados. La salida se obtiene multiplicando la entrada por una ganancia fija o constante establecida por el resistor de entrada (R1) y el resistor de realimentación (Rf): esta salida también se invierte a partir de la entrada.  Amplificador No Inversor: Este tipo de operacional funciona como amplificador no inversor o multiplicador de ganancia constante, la conexión de este circuito se utiliza más debido a que es más estable en frecuencia.

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 Amplificador sumador: Mediante este circuito es posible sumar algebraicamente los voltajes de cada una de las entradas, multiplicado por un factor de ganancia constante dado por Rf / Rk.  Amplificador Derivador: Para efectos prácticos el diferenciador proporciona variaciones en la tensión de salida ocasionadas por el ruido para el cual es muy sensible, razón por la cual es poco utilizado.  Amplificador Integrador: Es el más utilizado, en este caso, la tensión de salida es proporcional a la integral en el tiempo de señal de entrada.  Amplificador Modo Diferencial: Se trata de un circuito constituido por una capacidad C y una Resistencia R (Circuito RC), el cual actúa como un filtro pasivo para altas frecuencias, debido a que no intervienen elementos amplificadores, como transistores o circuitos integrados, este tipo de filtro atenúa bajas frecuencias según la formula empírica. [2] Amplificador Ideal Restador: Este amplificador usa ambas entradas invertida y no invertida; es decir que posee dos entradas y una salida. La señal que se obtiene a su salida es el resultado de la diferencia de las señales que se aplican a las entradas. En él se pueden elegir también las resistencias para amplificar la diferencia. Características:   

La tensión de salida es una constante multiplicada por la señal diferencial de entrada (v1-v2). La ganancia para la señal de modo común es cero. Para minimizar los efectos de la corriente de polarización se deberían seleccionar R2= R4 y R1= R3.

Fig. N°2: Circuito Amplificador Diferencial

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Calculo de voltaje de salida: Para el cálculo del voltaje de salida se procede a realizar la diferencia entre los dos voltajes de entrada. Para ello se debe tener en cuenta que: 𝑅4 𝑅2 = 𝑅3 𝑅1 𝑅2 (𝑉 − 𝑉2 )(𝑣) 𝑅1 1

Calculo de voltaje negativo: 𝑉(−) =

𝑉1 ∗ 𝑅4 (𝑅3 + 𝑅4 )

Funcionamiento: Para la alimentación del circuito, es necesario utilizar una fuente de alimentación doble que proporciona las tensiones +VCC y –VEE de diferente polaridad y que proporcione una intensidad constante. La tensión que aparece en la salida del amplificador se obtiene de la diferencia de las tensiones de entrada V1 y V2. [2]

Amplificador Operacional 741: Es un amplificador operacional de altas características. Se ha diseñado para una amplia gama de aplicaciones analógicas. Es ideal para usarlo como un seguidor de tensión. La alta ganancia y el amplio rango de voltaje de operación proporcionan unas excelentes características, utilizándose más usualmente en: seguidores de tensión de ganancia unidad, amplificadores no inversores, amplificadores inversores integradores, diferenciadores. [3]

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Fig. N°3: Diagrama de LM741

Pines: 

Pin Nº 2: entrada de señal inversora.



Pin Nº 3: entrada de señal no inversora.



Pin Nº 6: terminal de salida.



Pin Nº 7: terminal de alimentación positiva (Vcc)



Pin Nº 4: terminal de alimentación negativa (-Vcc)

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7. PROCEDIMIENTO 

Cálculo del voltaje de salida con respecto a los voltajes de entrada V1 y V2 en el caso que las resistencias sean iguales.

Nodo Vn

Nodo Vi

𝑉𝑛 𝑉𝑛 − 𝑉𝑖𝑛1 + =0 𝑅 𝑅

𝑉𝑖 − 𝑉𝑖𝑛2 𝑉𝑖 − 𝑉0 + =0 𝑅 𝑅

𝑉𝑛 𝑉𝑛 𝑉𝑖𝑛1 + − =0 𝑅 𝑅 𝑅

𝑉𝑖 − 𝑉𝑖𝑛2 + 𝑉𝑖 − 𝑉0 = 0

𝑉𝑛 𝑉𝑛 𝑉𝑖𝑛1 + = 𝑅 𝑅 𝑅

𝑉𝑖 = 𝑉𝑛 =

2𝑉𝑛 = 𝑉𝑖𝑛1 𝑉𝑛 =

𝑉𝑖𝑛1 2

𝑉𝑖𝑛1 2

𝑉𝑖𝑛1 𝑉𝑖𝑛1 − 𝑉𝑖𝑛2 + − 𝑉0 = 0 2 2 𝑉𝑖𝑛1 𝑉𝑖𝑛1 + − 𝑉𝑖𝑛2 = 𝑉0 2 2

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Conclusión 𝑉0 = 𝑉𝑖𝑛1 − 𝑉𝑖𝑛2



Cálculo del voltaje de salida con respecto a los voltajes de entrada V1 y V2 en el caso que las resistencias no sean iguales.

𝑖1 = 𝑖2 𝑉1 − 𝑉𝑥 𝑉𝑥 − 𝑉0 = 𝑅1 𝑅2

Sustitución

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𝑉1 𝑉2 𝑅2 𝑉2 𝑅2 𝑉0 − ( )= ( )− 𝑅1 𝑅1 𝑅1 + 𝑅2 𝑅1 𝑅1 + 𝑅2 𝑅2 −

𝑅2 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2 𝑉1 + 𝑉2 ( )( ) = 𝑉0 𝑅1 𝑅1 + 𝑅2 𝑅1

−

𝑅2 𝑅2 𝑉1 + 𝑉2 ( ) = 𝑉0 𝑅1 𝑅1

Conclusión 𝑉0 = 8.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES



 



9.

𝑅2 (𝑉 − 𝑉1 ) 𝑅1 2

Por medio de esta práctica elaborada se logró consolidar los conocimientos adquiridos en clase acerca del funcionamiento de un Amplificador Operacional Diferencial. Se logró diseñar y simular el circuito en software Proteus para comprobar su funcionamiento y así proceder a implementarlo en una protoboard. Por medio del circuito implementado se logró medir la ganancia de voltaje al alimentar al circuito con dos señales de voltaje diferentes, comprobando sus mediciones con los cálculos previamente realizados. Para realizar la práctica se recomienda revisar el circuito interno del amplificador operacional LM741 y alimentarlo correctamente.

BIBLIOGRAFÍA

[1] L. N. ROBERT L.BOYLESTAD, «Amplificadores Operacionales,» de Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos, México, Pearson Education, 2009, p. 594. [2] «Ingeniería: tecnología,» [En línea]. Available: http://ocw.um.es/ingenierias/tecnologia-y-sistemas-electronicos/material-de-clase1/tema-6.-amplificadores-operacionales.pdf. [Último acceso: 31 Mayo 2016]. [3] P. A. S. Miguel, Electrónica general, Paraninfo, 2008. [4] «Ecured,» [En línea]. Available: http://www.ecured.cu/Lm741. [Último acceso: 31 Mayo 2016].

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10. ANEXOS

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