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CIRCUITOS ELECTRICOS I Práctica #6 NOMBRES: Carrera David, Oviedo Michelle, Reinoso Mario FECHA: 2015-06-19 NRC: 2388 TEMA: El Amplificador Operacional 1.- OBJETIVOS:  Verificar el principio de funcionamiento de un amplificador operacional.  Analizar algunas aplicaciones básicas con el amplificador operacional.  Familiarizarse con el uso de instrumentos de medida. 2.- EQUIPO NECESARIO:       

Generador de señales Fuente DC. Osciloscopio. Protoboard Multímetro Cables conductores Resistencia, capacitores y amplificadores operacionales.

3.- PROCEDIMIENTO: 1.- Construya en el Protoboard cada uno de los circuitos analizados en el trabajo preparatorio. Muestre simultáneamente las señales de entrada y salida en un osciloscopio. Dibuje las formas de onda obtenidas en una hoja de papel milimetrado y preséntelas al instructor. B.- ANALISIS DE RESULTADOS: B.1.- Analice y compare las formas de onda obtenidas en la práctica con los resultados obtenidos en el trabajo preparatorio. Comente dicha comparación. Referente al circuito 1, el voltaje de salida (Vpp) experimental equivalente a 4.16 V. difiere del teórico igual a -4.3 V. en 3.255%; mientras que el signo característico del circuito sumador se expresa a través de la inversión de la curva sinusoidal de salida respecto de la señal de entrada.

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A través de la escala en el eje correspondiente al tiempo, equivalente a 100 us., observamos que el período de la señal de entrada corresponde aproximadamente a 330 us., lo que genera una frecuencia de salida equivalente a 3.030 kHz y concuerda 3.02 kHz, que es el valor obtenido experimentalmente del osciloscopio.

En el circuito 2, el valor teórico del voltaje de salida (5t V.) , concuerda con el obtenido ya que el Vpp mostrado por el instrumento fue 520 mV., el cual se obtiene al multiplicar el voltaje de entrada (5.12 V.) por el tiempo (100 ms.). El período equivalente para el circuito fue 310 us., provocando una frecuencia resultante equivalente a su inverso (3.013 k Hz). De esta forma comprobamos que al emplear el circuito integrador, la señal de respuesta no se invierte ya que mantiene su período respecto a la de entrada; sin embargo modifica la su forma en relación a las características de la señal inicial. Para analizar claramente las formas de onda de las señales de entrada y salida, es necesario colocarlas en fase sobre el mismo eje, converger el inicio de la onda hacia el punto de intersección de los ejes, para facilitar la medición del período y características de inversión en determinados casos. El circuito 3, presentó similares características referentes a las formas de onda obtenidas respecto al circuto1; ya que también representa un circuito sumador que expresa su ganancia, o relación respecto al voltaje de entrada y salida, a través de magnitudes negativas indicando la inversión de la forma de onda constante. El error entre el valor teórico (-8.33V.) y el experimental (8 V.) equivale al 3.99%, esto debido a errores de calibración al establecer las magnitudes necesarias en las fuentes de voltaje continuo y alterno. Las curvas referentes a las señales de entrada y salida presentan un período equivalente a 320us., generando una frecuencia para la señal de salida igual a 3125Hz, que es un valor muy cercano al obtenido en la práctica, equivalente a 3012 Hz. A través de los tres circuitos, comprobamos que la ganancia de un circuito con amplificador operacional real debe ser finita. Adicionalmente, muchos errores presentados son provocados por ciertas interferencias acústicas presentes al momento de realizar las mediciones. También es importante conocer las características técnicas de los amplificadores operacionales empleados, su polarización y distribución de pines; ya que la señal generada por el osciloscopio es muy sensible ante este tipo de variaciones. Página 2

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C.- CUESTIONARIO: 1.- Anote parámetros técnicos importantes de un amplificador operacional que deben ser tomados en cuenta al momento de utilizarlos en un proyecto. El amplificador operacional (AO) es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que tenga excursiones tanto por arriba como por debajo de tierra.

Cuando se utilizan amplificadores operacionales, se indica que éstos deben de funcionar con dos tipos de tensión: una positiva y otra negativa. Esto podría no ser un problema si se tiene más de una fuente, pero en equipos portátiles es normal que sólo se utilice una fuente de tensión (como una batería o pila) Para lograrlo se elimina la fuente de tensión negativa y se implementa una división de tensión. Ver que con esta división de tensión se elevó el nivel de tensión que antes era 0 voltios y ahora tiene un valor igual a la mitad del valor de la fuente de alimentación utilizada.

La división de tensión se implementa con dos resistencias R3 y R4 y es aplicada a la entrada no inversora. La tensión sobre R4 establece la tensión de polarización aplicada a la entrada no inversora y produce un desplazamiento en el nivel de tensión en CC a la salida del amplificador. Ver la siguiente figura. La tensión de salida será, de esta manera, similar a la salida original con dos fuentes de tensión, pero desplazada en nivel en una cantidad igual a la tensión de polarización (5 voltios si se supone que R3 = R4). La tensión de polarización de obtiene con la siguiente fórmula:

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Vpolarización = R4 / (R3 + R4) x Vfuente alimentación La ganancia se obtiene con las fórmulas: Av = - Vo / Vin = - R2 / R1 2.- Investigue las características de amplificadores operacionales distintos a los utilizados en esta práctica. Los amplificadores operacionales fueron desarrollados para realizar operaciones matemáticas con circuitos electrónicos. Son circuitos analógicos que básicamente constan de tres etapas: 1) Dos entradas que son diferenciales entre si. 2) Una etapa de ganancia DC intermedia. 3) Una etapa de salida push-pull

Las entradas poseen una muy alta impedancia y por el contrario, su salida presenta una muy baja por lo que la corriente entregada a la carga es grande. Antes aclaremos el término “push-pull”. Éste se refiere a un tipo de circuito electrónico que es capaz de manejar corrientes tanto positivas como negativas en su carga. En ciertos dispositivos, como los microcontroladores por ejemplo, podemos asimilar un terminal “push-pull” como un pin que puede funcionar como una entrada (corriente negativa) o una salida (corriente positiva). 3.- Investigue otras aplicaciones con circuitos más complejos que utilizan amplificadores operacionales. Estos dispositivos son usados mediante las configuraciones circuitales, que cumplen una serie de funciones característicos, tales como: el circuitos: inversor, no inversor, sumador inversor, sumador no inversor, derivadores de señal, integradores de señal, de instrumentación, de acondicionador de señales, conversor digital análogo, conversor análogo digital, comparadores de señal, diferenciales, filtros activos, etc. Las limitaciones de amplificación están dadas por el voltaje de saturación de los Opamps, que según el fabricante llegan alrededor de los ±14VDC cuando los niveles de alimentación están en un ±15VDC. El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante; tiene además límites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltio (especificacion también definida por el fabricante). Los amplificadores operacionales se caracterizan por su Página 4

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entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes a 100dB. El A.O es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que tenga excursiones tanto por arriba como por debajo de tierra (o el punto de referencia que se considere). El nombre de Amplificador Operacional proviene de una de las utilidades básicas de este, como lo son realizar operaciones matemáticas en computadores analógicos (características operativas).

D.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:  En la práctica de laboratorio, pudimos comprender el principio de funcionamiento de los amplificadores operacionales, con la ayuda de explicaciones por parte del instructor, y de los data sheet de los amplificadores los cuales nos daban información sobre la distribución de los pines y ciertas características, como por ejemplo que los voltajes máximos que se los podía aplicar era de 15 v.  Llegamos a la conclusión que una de las utilidades básicas de los amplificadores operacionales, son la de realizar operaciones matemáticas en computadores analógicos, las características operativas, como por ejemplo, Suma, Resta, Multiplicación, División, Integración, Derivación, etc.  Gracias a la práctica realizada en el laboratorio, llegamos a aclarar nuestros conceptos sobre los amplificadores operacionales, ya que al observar en el osciloscopio, pudimos ver que al ser un circuito sumador, inversor, las señales conservan su onda sinodal pero modificando su amplitud, y lo más importante es que no puede existir desfases, y si existen es porque en el circuito algo no está bien.  Comprendimos, que en los circuitos realizados con los amplificadores, la señal de entrada no puede ser igual a la señal de salida, esto quiere decir que en el circuito existe alguna falla o que el amplificador está averiado, ya que no está cumpliendo su función operacional.  Se pudo observar, que en el circuito, realizado con amplificadores que cumplía la operación de integración, que la señal cuadrada que entraba al amplificador gracias al generador de señales, el circuito hacía a este en señal triangular, en la salida, y asi observando, el verdadero uso de estos amplificadores en cada uno de los circuitos.

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 Se aclaró nuestros conceptos sobre los amplificadores operacionales, sabiendo que son dispositivos lineales de propósito general el cual tiene la capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante, y además que se caracterizan por su entrada diferencial y una ganancia muy alta.  Es recomendable antes de armar el circuito en el Protoboard, realizar una revisión de la placa, verificando que esté en buen estado, no esté quemado, o cargado, ya que en la práctica puede ocasionar, alteraciones en las señales, sobre todo en la de salida, ya que puede provocar una ganancia demasiado extensa, o bien obtener una señal distorsionada.  También se recomienda, que al armar un circuito que contenga dos generadores de señal, armarlo de tal forma que el circuito quede con una sola, ya que en el laboratorio, solo contamos con una sola.  Las puntas de osciloscopio, son fundamentales en esta práctica de laboratorio, por lo que es recomendable primero comprobar su correcto funcionamiento, y además llevar varias puntas, ya que si una no sirve se la puede cambiar por otra y no interrumpir el proceso de las señales.  Pudimos analizar la distribución de pines en un amplificador operacional conociendo, que el amplificador LM324, consta de 14 pines, en los cuales en el pin uno se encuentra Vo, en los pines dos y tres, se encuentran los voltajes de entrada, en el pin cuatro, se halla, V+, y en el pin once V-, los demás pines quedan sin conexión, en esta práctica.  Además logramos aprender la distribución de pines del amplificador operacional, LM741,el cual consta de ocho pines, el pin seis es Vo, el pin dos y tres, constan las entradas inversora y no inversora, respectivamente, y en el pin siete, V+, y en el pin cuatro, V-.  Logramos concluir que el último circuito, conocido como el sumador, esencialmente no es más que un amplificador en configuración inversora. Ya que el desarrollo matemático es el mismo. Debido a la ganancia de tensión infinita del amplificador para que la tensión de salida sea un número finito la tensión de entrada.  Es recomendable ya al haber obtenido las señales después de haber presionado auto-set, cuando comenzamos a regular la amplitud, o sea el voltaje del generador de señales, ir aumentando el zoom, y que cada aumento, ir ubicando a las señales en la línea de referencia para no perder de vista en la pantalla del osciloscopio, ni la señal de entrada ni la señal de salida.  En las señales obtenidas por el circuito integrador se pudo observar, que en la señal triangular la pendiente de un lado, cambiaba hacia el otro lado con la misma pendiente pero negativa al toparse que las paredes que formaba la señal cuadrada de entrada, lo que nos daba a entender que la señal de salida dependerá de los valores de la señal de entrada, de la resistencia y del condensador. Página 6

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E.- REFERENCIAS:        

http://www.forosdeelectronica.com/tutoriales/AO.htm http://fisica.usach.cl/~jlay/licfismat/pdf/vglavo4.pdf http://www.ifent.org/lecciones/ntc/ntc.asp http://www.alldatasheet.es/datasheet-pdf/pdf/9027/NSC/LM741.html http://www.unicrom.com/Tut_opamp.asp http://www.ifent.org/temas/amplificadores_operacionales.asp Circuitos Eléctricos. Dorf. Sexta Edición Guía ara Mediciones Electrónicas y Prácticas de Laboratorio; Stanley Wolf – Richard F.M. Smith; Editorial Prentice Hall

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