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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALL INFORME PREVIO 4 Katiuska Cachis León 20152610K [email protected]

Resumen—En el presente experimento se estudiará el amplificador operacional LM741, verificando sus características en circuitos de aplicación. Index Terms—Amplificador operacional, OPAMP, ruido, frecuencia, OFFSET, ganancia

I. F UNDAMENTO T EÓRICO L amplificador operacional, a menudo conocido op-amp por sus siglas en inglés (operational amplifier) es un dispositivo amplificador electrónico de alta ganancia acoplado en corriente continua que tiene dos entradas y una salida. En esta configuración, la salida del dispositivo es, generalmente, de cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial entre sus entradas.

E

I-A.

Principio de operación

El dispositivo posee dos entradas: una entrada no inversora (+), en la cual hay una tensión indicada como V+ y otra inversora (–) sometida a una tensión V− . En forma ideal, el dispositivo amplifica solamente la diferencia de tensión en las entradas, conocida como tensión de entrada diferencial (Vin = V+ −V− ). La tensión o voltaje de salida del dispositivo Vout Vout estdadaporlaecuacin : Vout = AOL (V+ − V− ) = AOL Vin en la cual AOL representa la ganancia del dispositivo cuando no hay realimentación, condición conocida también como "lazo (o bucle) abierto". En algunos amplificadores diferenciales, existen dos salidas con desfase de 180◦ para algunas aplicaciones especiales. I-A1. Lazo abierto: La magnitud de la ganancia AOL s, generalmente, muy grande, del orden de 100.000 veces o más y, por lo tanto, una pequeña diferencia entre las tensiones es V+ y V− hace que la salida del amplificador sea de un valor cercano al de la tensión de alimentación, situación conocida como saturación del amplificador. La magnitud de AOL no es bien controlada por el proceso de fabricación, así que es impráctico usar un amplificador en lazo abierto como amplificador diferencial.

Figura 1: Amplificador operacional modelo LM741CN

Figura 3: Amplificador operacional en modo de lazo abierto Figura 2: Símbolo electrónico

I-A2. Lazo cerrado: Si se desea un comportamiento predecible en la señal de salida, se usa la realimentación negativa

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aplicando una parte de la tensión de salida a la entrada inversora. La configuración de lazo cerrado reduce notablemente la ganancia del dispositivo, ya que ésta es determinada por la red de realimentación y no por las características del dispositivo. Si la red de realimentación es hecha con resistencias menores que la resistencia de entrada del amplificador operacional, el valor de la ganancia en lazo abierto AOL no afecta seriamente la operación del circuito. En el amplificador no inversor de la imagen, la red resistiva constituida por Rf y Rg etermina la ganancia en lazo cerrado. ACL =

Vout = Vin

 1+

Rf Rg

I-B2. Amplificador no inversor: En el modo amplificador no inversor, el voltaje de salida varía con la misma polaridad que el voltaje de entrada. La ecuación de ganancia para esta configuración es: Vout = AOL (V+ − V− )



Figura 6: Amplificador operacional en modo no inversor I-B3. Amplificador inversor: En este caso, V− es función de Vout y Vin dada por el divisor de tensión formado por Rf y Ri n . De nuevo, no hay efecto de carga en V− debido a la alta impedancia del amplificador operacional

Figura 4: Un amplificador operacional en modo de realimentación negativa

I-B.

Aplicaciones

Figura 7: Un amplificador operacional conectado en configuración de inversor I-B4. Sumador: Aplicación en la cual la salida es de polaridad opuesta a la suma de las señales de entrada.

I-B1. Seguidor de voltaje o tensión: Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada. Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevada, la de salida prácticamente nula, y es útil como un búfer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) y realizar mediciones de tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte sensiblemente a la medición. Figura 8: Amplificador sumador de n entradas I-B5. Integrador: Este montaje integra e invierte la señal de entrada Vin produciendo como salida: Zt −

Vout = 0

Figura 5: Amplificador operacional en modo seguidor de tensión

Vin dt + Vinicial RC

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II.

INFORME PREVIO

II-A. Dibuje un esquema que permita desechar rapidamente un amplificador operacional malo Las fallas en los AO en la etapa de entrada se producen de dos formas: Excediendo las características nominales de entrada diferencial Figura 9: Amplificador integrador I-B6. Derivador: Este circuito deriva e invierte la señal de entrada, produciéndose como salida: Vout = −RC

dVin dt

Figura 11: Tipo LM741/LF351/TL066 Excediendo características nominales en modo común

Figura 10: Amplificador derivador

Figura 12: Tipo 1/4 LM124, LM324 El parámetro más susceptible es el nominal de entrada diferencial. Cuando se sobrepasan las características de entrada diferencial ,en un AO de entrada no protegida el diodo zener emisorbase de uno de los transistores de entrada diferencial entrará en disrrupción. Siempre que la diferencia entre los dos terminales de entrada exceda los ±7V , estos diodos emisor-base entrarán en disrrupción y conducen una corriente que solo estará limitada por una resistencia externa. Si la impedancia que alimenta ambas entradas es baja, la corriente puede elevarse hasta niveles destructivos. Las corrientes sobre 50mA provocarán daños permanentes.

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II-B. Copie las especificaciones de un OPAMP y explique su significado II-B1. Impedancia de entrada: Es la resistencia vista desde un terminal de entrada con la otra entrada puesta a tierra. Esta varÌa para cada AO.

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II-B4. Offset: Es la diferencia de tensión, entre las entradas de un amplificador operacional que hace que su salida sea cero voltios.

Figura 16: Offset Figura 13: Impedancia de entrada II-B2. Impedancia de salida: Es la resistencia vista desde el terminal de salida. Este parámetro se define bajo condiciones de pequeña señal con frecuencias por encima de algunos cientos de hertz.

II-B5. CMRR: Es la capacidad de un amplificador de rechazar señales en modo común.

Figura 17: CMRR Figura 14: Impedancia de salida II-B3. Ganancia en lazo abierto: La diferencia más significativa entre el AO ideal y el real es la ganancia de tensión en lazo abierto, también conocida como ganancia diferencial. Mientras AO ideal tiene ganancia infinita, la ganancia AO real es finita y además disminuye a medida que aumenta la frecuencia de trabajo. La ganancia de tensión se especifica en decíbeles. Av =

II-B6. Slew rate: Es la máxima variación de la tensión de salida respecto de la variación del tiempo, como respuesta a un voltaje de escalón. Se mide en V/s, kV/s o unidades similares. Este parámetro está limitado por la compensación en frecuencia de la mayoría de los amplificadores operacionales.

vo vd

Figura 18: Slew rate

Figura 15: Ganancia

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II-C. Explique el uso de las curvas de densidad de ruido en un amplficador operacional El ruido propio de un amplificador operacional puede especificarse en términos de un generador de tensión de valor eficaz en y un generador de corriente de valor eficaz iin , que adicionados a un A.O. sin ruido como se muestra en la Figura 19, permiten reproducir del comportamiento de un A.O. respecto a su ruido propio.

Figura 21: Amplificadores Operacionales con tecnologías Bipolar Figura 19: Amplificador Operacional sin ruido El generador en , se denomina tensión eficaz de ruido a la entrada con entrada cortocicuitada y elgenerador de corriente iin , corriente eficaz de ruido a circuito abierto (un modelo más precisoimplica colocar un generador de corriente de ruido en cada entrada). Estas fuentes de ruido tienen densidades espectrales asociadas. En la Figura x se √muestran curvas √típicas de densidades espectrales en [nV / Hz] e in [f A/ Hz] para Amplificadores Operacionales con tecnologías FET y Bipolar.

II-D. Explique el porqué de las limitaciones de µA741 en frecuencias mayores de 100KHz Una de las limitaciones prácticas del op-amp, es que la ganancia en bucle abierto que es tan alta a frecuencias del rango de los kHz (desde 100.000 a un millón o mas), cae a una ganancia de uno a algunas frecuencias altas (por ejemplo de 1 a 10 MHz). Muchos op-amps contienen compensación interna que originan una atenuación de la ganancia de 6dB por octava, (como un filtro de paso bajo) a determinada frecuencia elegida, para estabilizar la unidad contra oscilaciones de alta frecuencia. En el 741 esta atenuación empieza a 100 kHz. Desde el comienzo de la atenuación, la acción de filtro tipo RC, lo lleva a un desplazamiento de fase empezando en 90o e incrementando a 120o , a 160o , conforme la ganancia se acerca a uno. Si el desplazamiento de fase alcanza 180o , la realimentación se vuelve positiva y el sistema puede oscilar.

Figura 20: Amplificadores Operacionales con tecnologías FET