• Author / Uploaded
• juan

Citation preview

República Bolivariana de Venezuela Universidad Fermín Toro Escuela de Ingeniería Cabudare-Edo. Lara

PRACTICA No 1 Aplicaciones de los Amplificadores Operacionales (Amplificadores Básicos)

Alumno: Juan Linares C.I: 21.504.360 Asignatura: Lab. de Electrónica II Sección: SAIA “A” Profesora: Dayana Lamus

Cabudare, Agosto del 2019

Introducción

En el siguiente informe de laboratorio, realizaremos la práctica nro.1 de Laboratorio de Electrónica II, la cual consiste en conocer acerca de los amplificadores operacionales, especialmente en sus configuraciones inversoras y no inversoras, además de aprender cómo es su conexión, sus aplicaciones, sus funciones y su importancia en la electrónica y el diseño de circuitos.

El Sr. George Philbrick, que trabajaba en los Huntington Engeneering Labs, y a quien se le atribuye su invención, lo introdujo al mercado en el año 1948. La idea principal de estos “operacionales” originales era la de ser utilizados en computadoras analógicas, para sumar, restar, multiplicar y realizar operaciones más complejas. Fue la empresa Fairchild la que en los años 1964 y 1967 introdujo al mercado los conocidos Amplificadores operacionales 702, 709 y 741. Y la National Semicoductor hizo lo mismo con el 101/301.

Estos circuitos integrados son muy versátiles, de bajo precio, tamaño pequeño, con excelentes características y redujeron el diseño de un amplificador a la adición de unos resistores. Con el paso de los años y la mejora en la tecnología de fabricación, los amplificadores operacionales mejoraron notablemente. En su configuración interna se reemplazaron unos transistores bipolares por transistores de efecto de campo (JFET).

OBJETIVOS  Realizar los montajes correctamente, una vez identificados cada uno de los terminales del amplificador operacional por uso y funcionalidad.  Visualizar en el osciloscopio las señales de entrada y salida de los diferentes circuitos amplificadores.  Entender y explicar el funcionamiento de dicho circuito.

PRE-LABORATORIO

1. Defina Amplificador Operacional Ideal. Parámetros básicos.

Un 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.

Un amplificador operacional ideal debería reunir las siguientes características:  Ganancia en lazo abierto (A) infinita.  Ancho de banda infinito.  Impedancia de entrada infinita.  Impedancia de salida nula.

Como consecuencia de estas características, tenemos:

Parámetros básicos:  Impedancia de entrada (Zi): Es la resistencia entre las entradas del amplificador.  Impedancia de salida (Zo): Es la resistencia que se observa a la salida del amplificador.  Ganancia en lazo abierto (

): Indica la ganancia de tensión en ausencia de

realimentación. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) o logarítmicas (dB). Son valores habituales de 100.000 a 1.000.000 V/V. Algunos fabricantes denominan a este parámetro Large-signal differential voltage amplification (Amplificación de voltaje diferencial para gran señal).  Tensión en modo común (Vcm): Es el valor promedio de tensión aplicado a ambas entradas del amplificador operacional.  Voltaje de desequilibrio (offset) de entrada (Vio): Es la diferencia de tensión, entre las entradas de un amplificador operacional que hace que su salida sea cero voltios.  Corriente de desequilibrio de entrada (Iio): Es la diferencia de corriente entre las dos entradas del amplificador operacional, que hace que su salida tome el valor cero.  Voltaje de entrada diferencial (Vid): Es la mayor diferencia de tensión entre las entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las especificaciones.  Corriente de polarización de entrada (Vib): Corriente media que circula por las entradas del operacional en ausencia de señal.  Rapidez de variación de voltaje (slew rate, en idioma inglés): 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/μs, kV/μs o unidades similares. Este parámetro está limitado por la compensación en frecuencia de la mayoría de los amplificadores operacionales.  Relación de Rechazo en Modo Común (RRMC, o CMRR en sus siglas en inglés): Es la capacidad de un amplificador de rechazar señales en modo común.

2. Configuraciones básicas de los A.O. Explique el funcionamiento y genere las ecuaciones matemáticas de los diferentes tipos de AO y la función de transferencia que los identifica.

Los amplificadores operacionales se pueden conectar según dos circuitos amplificadores básicos: las configuraciones inversora y no inversora. Casi todos los demás circuitos con amplificadores operacionales están basados, de alguna forma, en estas dos configuraciones básicas. Además, existen variaciones estrechamente relacionadas de estos dos circuitos, más otro circuito básico que es una combinación de los dos primeros: el amplificador diferencial.  Amplificador inversor: La configuración básica del AO. El amplificador inversor. En este circuito, la entrada (+) está a masa, y la señal se aplica a la entrada (-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2.

 Amplificador no inversor: En este circuito, la tensión Vi se aplica a la entrada (+), y una fracción de la señal de salida, Vo, se aplica a la entrada (-) a través del divisor de tensión R1 – R2. Puesto que, no fluye corriente de entrada en ningún terminal de entrada, y ya que Vd = 0, la tensión en R1 será igual a Vi.

 Amplificador diferencial: Una tercera configuración del AO conocida como el amplificador diferencial, es una combinación de las dos configuraciones anteriores. Aunque está basado en los otros dos circuitos, el amplificador diferencial tiene características únicas. Este circuito, tiene aplicadas señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natural del amplificador operacional.

 Sumador inversor: Utilizando la característica de tierra virtual en el nudo suma (-) del amplificador inversor, se obtiene una útil modificación, el sumador inversor. En este circuito, como en el amplificador inversor, la tensión V(+) está conectada a masa, por lo que la tensión V(-) estará a una masa virtual, y como la impedancia de entrada es infinita toda la corriente I1 circulará a través de RF y la llamaremos I2. Lo que ocurre en este caso es que la corriente I1 es la suma algebraica de las corrientes proporcionadas por V1, V2 y V3.

 El integrador: Se ha visto que ambas configuraciones básicas del AO actúan para mantener constantemente la corriente de realimentación, IF igual a IIN.

Una modificación del amplificador inversor, el integrador, se aprovecha de esta característica. Se aplica una tensión de entrada VIN, a RG, lo que da lugar a una corriente IIN.

 El diferenciador: Una segunda modificación del amplificador inversor, que también aprovecha la corriente en un condensador es el diferenciador. En este circuito, la posición de R y C están al revés que en el integrador, estando el elemento capacitativo en la red de entrada. Luego la corriente de entrada obtenida es proporcional a la tasa de variación de la tensión de entrada

 El seguidor de tensión: Una modificación especial del amplificador no inversor es la etapa de ganancia. En este circuito, la resistencia de entrada se ha incrementado hasta infinito, y RF es cero, y la realimentación es del 100%. V0 es entonces exactamente igual a Vi, dado que Es = 0. El circuito se conoce como “seguidor de emisor” puesto que la salida es una réplica en fase con ganancia unidad de la tensión de entrada. La impedancia de entrada de esta etapa es también infinita.

3. El amplificador operacional práctico. Parámetros básicos. Consulte el manual técnico correspondiente al amplificador Operacional de propósito general LM741 y el TL81.

En primer lugar analizaremos las dos configuraciones más comunes con realimentación negativa, la inversora y no inversora. Para ello, debemos conocer el principio de tierras virtuales: la entrada inversora y no inversora de AO tiene el mismo voltaje.

Primera configuración, será la inversora:

Las intensidades que recorren R1 y R2 son iguales, ya que la entrada de AO tiene una resistencia infinita. Por el principio de tierras virtuales sabemos

que el voltaje en la entrada inversora es igual al de la no

inversora que es este caso es 0. Con esto dicho y aplicando la ley de ohm también el método de nodos, tenemos:

I1 = I2 =

Despejamos

Quedando la ganancia del sistema como el cociente de la resistencia de realimentación por las resistencia de entrada a la parte inversora. En contraposisicon tenemos por lo que no constara de ganancia negativa:

En este caso sería el análisis de la siguiente manera:

4. Determine las especificaciones, características y pines de conexión y realice un cuadro comparativo de los dos integrados.

Especificaciones Esta serie de componente electrónico integrado corresponde a los amplificadores operacionales de propósito general que ofrecen un mejor rendimiento frente a los estándares industriales, como el LM709. El LM741 es el reemplazo directo de los CIs:709C, LM201, MC1439 y 748 en la mayoría de las aplicaciones. La alimentación del circuito puede realizar mediante una sola pila o mediante dos, en cuyo caso se LM741 denomina alimentación simétrica. El amplificador operacional recibe este nombre porque inicialmente fue diseñado para poder realizar operaciones matemáticas con señales eléctricas formando parte de los denominados calculadores analógicos. Hoy en día se emplea en infinidad de aparatos e instrumentos de la industria, medicina. etc.









Características Alta impedancia (resistencia) de entrada: del orden de 1 MW , lo cual implica que la intensidad de corriente por los terminales de entrada será despreciable. Baja impedancia de salida: del orden de 150 W, pudiendo atacar cualquier carga (circuito) sin que su funcionamiento se modifique dependiendo del valor de ésta. Tensión máxima de alimentación: ±Vcc = ± 18 V. Implica que la tensión de salida nunca podrá superar a la de alimentación. Alta ganancia de tensión en lazo abierto (sin conectar ningún componente entre la salida y cualquiera de las entradas) con pequeños valores de tensión en los terminales de entrada se consiguen grandes tensiones de salida.

Pines de conexión

 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)

Amplificador operacional con ancho de banda de 3 MHz, alta velocidad, entradas de alta impedancia JFET.

TL081

 Bajo consumo de potencias.  Ancho de banda con ganancia unitaria: 3MHz.  Alto slew rate: 13V/us.  Corrientes de polarización y offset bajas.  Voltaje de offset de entrada: 3 mV típico, q5mV max.  Compensado en frecuencia internamente.  Salida protegida contra cortocircuito continuo.  Nro. De aplicaciones operacionales: 1.  Voltaje de alimentación: 18v.

 Pin compatible con el LM741, LF351.  Encapsulados: DIP 8pines  Cumple directivas RoHS

ACTIVIDADES DE LABORATORIO.

PARTE I. CIRCUITOS BASICOS.

Identifique y dibuje en el recuadro los terminales de los amplificadores operacionales.

Realice el montaje del circuito de la Figura 1 con el amplificador operacional LM741 y el TL81. Escoja un valor adecuado de ganancia de voltaje para amplificar la señal de entrada: Vi = 0,5 * sen (6285 t) (V), energice con Vcc = ±12 Vdc.

1. Identifique el tipo de circuito mostrado en la figura 1: AMPLIFICADOR DE CONFIGURACIÓN DE UN INVERSOR.

a. Conecte la señal de entrada Vi del generador y la señal de salida Vo del circuito al osciloscopio. Dibuje en papel milimetrado las señales observadas indicando la posición de volt/div y time/div de cada señal.

b. Realice variaciones de voltajes a la señal de entrada Vi. Observe la señal de salida Vo. Anote los datos de voltaje máximo de Vo, Vi y Av para ambos circuitos, en la tabla siguiente:

Vi (voltios) Vo (voltios) Av

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

2

2

2

2

2

2

c. ¿Cuál es la frecuencia de la señal de salida? 1Khz

d. Dibuje la función de transferencia en el papel milimetrado.

2. Coloque la señal de entrada Vi con un valor de voltaje fijo y realice variaciones en el voltaje de alimentación. Complete la tabla con diferentes ± Vcc y observe Vo.

Vcc

5V

9V

14V

18V

21V

24V

Vo

0.6

0.6

0.6

0.6

0.6

0.6

Vi = ____0.3___ Voltios

¿Qué ocurre? La salida no depende del vcc

3. Con la ayuda de un simulador, realice en el generador de señales variaciones de frecuencias en la señal Vi anterior. Observe la señal de salida Vo y complete la tabla con diferentes valores de frecuencias y observe Vo.

F (Hz)

500 Hz

1k Hz

10K Hz

Vo

0.6

0.6

0.5

100K Hz 500K Hz 0.4

0.3

1M Hz 0.2

Haga un gráfico en el papel milimetrado del voltaje de salida versus frecuencias

(Vo Vs. f).

F = 1ms = f 1 = Determine el intervalo de frecuencias

t

1

= 1Khz

1mseg

en que el amplificador mantiene su salida más o menos contante. A este intervalo se le conoce como ancho de banda del amplificador.

4. Realice el montaje del circuito de la Figura 2, elija un valor adecuado de ganancia de voltaje para amplificar la señal de entrada, energice con ± 12 Vdc y una Vi = 0,5 * sen(6285 t) (voltios).

Repita los pasos N° 1, 2 y 3.

4.1 Identifique el tipo de circuito mostrado en la Figura 2: Circuito Amplificador Inversor. Este circuito amplificará la señal con una ganancia de 10, y las invertirá (desfasará) 180° grados.

Cálculo de Ganancia:

a. Conecte la señal de entrada Vi del generador y la señal de salida Vo del circuito al osciloscopio. Dibuje en papel milimetrado las señales observadas indicando la posición de volt/div y time/div de cada señal.

Se puede observar como la señal de entrada fue amplificada a 5V y los semiciclos fueron invertidos.

b. Realice variaciones de voltajes a la señal de entrada Vi. Observe la señal de salida Vo. Anote los datos de voltaje máximo de Vo, Vi y Av para ambos circuitos, en la tabla siguiente:

Vi

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Vo

5

10

11

11

11

11

Av

10

10

10

10

10

10

Para los voltajes de

y

, la señal fue amplificada 10 veces tal cual

se esperaba, sin embargo, esto no sucedió para los voltajes de ya que la alimentación del Amplificador Operacional

,

,

y

no es suficiente

para amplificar esos voltajes 10 veces.

Podemos apreciar que para el voltaje

, los picos de la señal

amplificada no superan los 11V debido a que el voltaje de alimentación del Amplificador no es suficiente. Lo mismo sucede para los voltajes de

,

y

. Para solucionar esto, o se reduce la ganancia deseada, o se aumenta el voltaje de alimentación. Cabe destacar que el voltaje de alimentación máximo que soporta el LM741 es de

c. ¿Cuál es la frecuencia de la señal de salida? La frecuencia es la misma en la señal de entrada que en la de salida.

d. Dibuje la función de transferencia en el papel milimetrado. 4.2. Coloque la señal de entrada Vi con un valor de voltaje fijo y realice variaciones en el voltaje de alimentación. Complete la tabla con diferentes ± Vcc y observe Vo.

Vcc

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Vo

5

10

15

20

21

21

Av

10

10

10

10

10

10

¿Qué ocurre?

Se aumentó el voltaje de alimentación del Amplificador a es el máximo que este soporta. Para los voltajes de Sin embargo, para los voltajes de satisfactoriamente a

y

y

no hubo cambios.

, la señal fue amplificada 10 veces

respectivamente, debido a que la alimentación

del Amplificador era suficiente. Para los voltajes de amplificada solo pudo alcanzar

y

, el cuál

.

y

, la señal

En este caso podemos observar como la señal de solo pudo ser amplificada a

con una alimentación de

correctamente. Lo mismo sucede con la señal de . Para los voltajes de de es de

y

y

, que previamente , fue amplificada a , que es amplificada a

, teóricamente se espera una amplificación

respectivamente, pero para ambos casos la amplificación máxima debido a que la alimentación del Amplificador no es suficiente.

4.3. Con la ayuda de un simulador, realice en el generador de señales variaciones de frecuencias en la señal Vi anterior. Observe la señal de salida Vo y complete la tabla con diferentes valores de frecuencias y observe Vo.

Haga un gráfico en el papel milimetrado del voltaje de salida versus frecuencias (Vo Vs. f). Determine el intervalo de frecuencias, en que el amplificador mantiene su salida más o menos constante.

En rango de ganancia de

(

y a

, la señal es amplificada correctamente con una

). Sin embargo, con señales por encima de

, la

amplitud de la señal de salida empieza a disminuir y la señal senoidal se empieza a deformar, tomando una forma triangular.

Entrada de

a

, amplificada de

a

con estabilidad.

Entrada de

a

, amplificada de

a

con estabilidad.

Entrada de a . Aquí se puede notar como a altas frecuencias, la amplitud de la señal de salida empieza a disminuir y empieza a tomar una forma triangular.

F (hz) Vo (voltios)

60hz

6Khz

12Khz

10 V

10 V

6.40 V

5. En el montaje de la Figura 2 elimine la resistencia Ra junto con la tierra. ¿Qué ocurre?

Al quitar la resistencia de retroalimentación, la señal dejo de ser amplificada, ya que esa es la función de esa resistencia. En el osciloscopio podemos observar dos señales en forma cuadrada con una amplitud de 21V. Esta señal es simplemente el voltaje de alimentación que entra al amplificador.

Señales cuadradas de amplitud 21V que representan la alimentación del amplificador.

6. Con una señal cuadrada Vi = 6 Vpp a una frecuencia de 10 Khz. Determine la razón de cambio que experimenta el LM741 (slew rate) . Aumente la frecuencia hasta un máximo de 100 Khz. Grafique las ondas obtenidas en papel milimetrado. ¿Qué ocurre?

Una de las limitaciones prácticas del op-amp, es la velocidad con la que puede cambiar el voltaje de salida. Esta tasa limitadora de cambio de voltaje de un dispositivo se llama su "slew rate". Este lo podemos calcular de la siguiente manera:

Con esta frecuencia la señal es completamente triangular y además de reducir la amplitud, se hacen muy inestables los picos.

Conclusión

Una vez culminada la investigación podemos decir lo siguiente: Que un amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señales normales o definidas por fabricantes. Que pueden ser manejadas por configuraciones básicas de un amplificador operacional. Y por medio de Operaciones lógicas básicas.

Y que hoy en día su utilidad es indispensable, ya que es utilizado para la fabricación de productos eléctricos. Ya sean electrodomésticos, computadoras, televisores, lavadoras. Por qué se emplean también en cada una de ellas para su diseño, las operaciones básicas lógicas. Y que sin ellas no tendríamos el avance tecnológico que tenemos hoy en día y que seguiremos disfrutando.