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Academia Politécnica Naval

Electrónica Análoga

Amplificadores Operacionales

Integrantes: Karina Guzmán Vergara Felipe Feitosa Martínez Diego Zambrano Sanhueza

Curso: 2° Mc. Eln. Op.

Docente:

SOM Ramón Badillo Astudillo

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Introducción Este siguiente trabajo práctico tiene el objetivo de aprender cómo funciona un Amplificador Operacional el cual es un dispositivo amplificador cuyas características de funcionamiento se aproximan a las de un amplificador ideal: ganancia infinita, salida nula en ausencia de la señal de entrada, impedancia de entrada infinita, impedancia de salida cero, ancho de banda infinito y tiempo de subida nulo. Las características de un Amplificador Operacional real se diferencian de las de un ideal. Un Amplificador Operacional típico está caracterizado por las siguientes propiedades: elevada ganancia en tensión, alta impedancia de entrada, ancho de banda amplio, baja tensión de offset, mínima distorsión, nivel de ruido reducido, etc. El Amplificador Operacional posee dos entradas: una INVERSORA (-) y otra NO

INVERSORA (+) y una salida Vo.

Principio de funcionamiento Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los amplificadores operacionales tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:

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1. Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial. 2. Amplificador de tensión: proporciona ganancia de tensión. 3. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos. Éste también proporciona una ganancia adicional.

Circuito integrador

Un integrador electrónico es una forma de filtro pasa bajo de primer orden que se basa en una red resistencia-condensador, conectados a través de un amplificador operacional. Los hay de dos tipos: el integrador de tensión el cual realiza una integración de una tensión eléctrica, midiendo así un flujo eléctrico total y el integrador de corriente que realiza la integración en el tiempo de una corriente eléctrica, midiendo así una carga eléctrica total. El integrador de corriente es también usado para medir la carga eléctrica en un vaso de Faraday en un analizador de gas residual para medir las presiones parciales de los gases en el vacío. Otra aplicación del integrador de corriente se encuentra en la técnica de la deposición por haz de iones, donde la carga medida se corresponde directamente con el número de iones depositados sobre un sustrato, suponiendo que el estado de carga de los iones se conoce. En este caso, los terminales de corriente del integrador deben estar conectados a la fuente de iones y el sustrato, cerrando el circuito eléctrico que en parte viene dado por el haz de iones. Un integrador ideal: Integra e invierte la señal (Vin y VOUT son funciones dependientes del tiempo)

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O Vinicial es la tension de salida en el origen de tiempo (t=0) Este circuito tambien se usa como filtro.

Circuito derivador

Un derivador es un circuito en el que la señal de salida es proporcional a la derivada en el tiempo de la señal de entrada. En otras palabras: La salida es proporcional a la velocidad de variación de la señal de la entrada. Recordamos la ley fundamental del condensador: Q=C×V Donde Q es la carga acumulada en el condensador, medida en Coulomb, C es la capacidad del condensador medida en Farad, V es la tensión presente entre las dos armaduras del condensador. Teniendo en cuenta los valores instantáneos podemos escribir: q=C×v Derivando con respecto al tiempo, tanto el primero y el segundo miembro, obtenemos:

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donde consideramos la como una constante.

capacitad C del condensador

Recordemos que:

representa la carga eléctrica que pasa en el tiempo, entonces es precisamente la corriente del condensador ic.

Ahora calculamos la corriente que circula en el resistor R2, es decir i2; de acuerdo con la ley de Ohm es:

Recordemos que Vs es negativa, debido a que la tensión de salida es desfasada de 180° con respecto a la tensión de entrada ve, que se aplica al terminal inversor. Teniendo en cuenta que el terminal inversor no absorbe corriente, debido a la alta ganancia de un amplificador operacional, podemos asumir que: ic= i2 Igualando las dos corrientes, cuyos valores se calculó anteriormente, obtenemos:

de la que vemos que vs es igual a:

Esta fórmula dice que vs es igual a la derivada de la tensión de entrada hecha con respecto al tiempo, a menos de una constante: -R2 C.

En el diagrama de circuito notamos la presencia de el resistor R1; esto resistor tiene la tarea de evitar que el amplificador entra en saturación a altas 5

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frecuencias; de hecho, para altas frecuencias el condensador C se comporta como un corto circuito; en consecuencia, la ganancia del amplificador se convertiría, si no fuese R1:

Dada la presencia de R1 en la serie C la ganancia a frecuencias altas se reduce a:

Si aplicamos en la entrada al circuito derivador una forma de onda del tipo triangular, se obtenemos en la salida una forma de onda de tipo rectangular.

Salida igual a

la derivada de la entrada

De hecho, en el primer mitad período podemos considerar que la tensión de entrada siga la siguiente ecuación: ve= k × t

donde k es una constante positiva; en consecuencia, Vs será: 6

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Del mismo modo para el segundo semiperíodo.

Guía de trabajo Integrador Utilice como señal de entrada una onda seno de 2 Vpp frecuencia de 100 Hz. Observe y registre el voltaje de salida. Varíe la frecuencia de la señal de entrada y observe y registre que pasa en la salida. Repita el procedimiento anterior con formas de onda triangular y cuadrada.

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Este circuito integra la señal de entrada por lo que no tiene desfase , por lo que la señal lo ve como un circuito capacitivo puro, teniendo una capacitancia completa y una resistencia cero.

Derivador Utilice como señal de entrada una onda seno de 2 Vpp y frecuencia de 100 Hz. Observe y registre el voltaje de salida. Varíe la frecuencia de la señal de entrada y observe y registre que pasa en la salida. Repita el procedimiento anterior con formas de onda triangular y cuadrada.

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Este circuito deriva la señal de salida, al derivar la señal ya no sería una señal seno sino una señal coseno de salida donde se obtiene un desfase de 20,22° aproximadamente, este desfase puede cambiar por los componentes del circuito y las pérdidas que se producen. Este circuito tiene una frecuencia muy baja.

Conclusiones  Para los circuitos derivadores la ganancia toma valores muy grandes cuando la frecuencia es grande ya que la amplitud de la onda depende directamente de la frecuencia, debido a que la constante RC siempre va a hacer un valor fijo, por lo tanto, la amplificación para este circuito está ligada a la frecuencia.

 Para los circuitos integradores la ganancia toma valores muy grandes



cuando la frecuencia toma valores muy pequeños, debido a que la frecuencia depende inversamente de la frecuencia y la constante de tiempo, pero como la constante de tiempo va a ser un valor constante en el circuito la amplificación depende en su mayor parte de la frecuencia. En conclusión general para los circuitos integradores se tiene que siempre la salida va a estar adelantada en 90◦ con respecto a la entrada, mientras que para los circuitos derivadores la salida siempre va estar adelantada en 180◦ con respecto a la entrada.

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