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• Esteban Montes

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“UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA” Facultad de Ciencias e Ingenierías Físicas y Formales Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica – Mecánica Eléctrica y Mecatrónica

LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS I

PRÁCTICA Nº6 “CIRCUITOS CON OPERACIONALES” GRUPO: 02 MIERCOLES (3 PM – 5 PM) ALUMNO: CONTRERAS ZEBALLOS JONATHAN LUIS PROFESOR: ING. CHRISTIAM GUILLERMO COLLADO OPORTO

AREQUIPA – PERÚ

2020

1. OBJETIVOS: 

Analizar el comportamiento de los amplificadores operacionales en las distintas aplicaciones.



Implementar circuitos de aplicaciones no lineales empleando amplificadores operacionales.

2. MARCO TEÓRICO: EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL En otros tutoriales hemos presentado componentes electrónicos discretos, que habitualmente se fabrican y encapsulan en unidades separadas, aptas para ser incorporadas en la fabricación de circuitos. Ahora es el momento para avanzar un paso más, e introducir el concepto de circuito integrado. Un circuito integrado se diferencia de los circuitos convencionales en que todos sus componentes se fabrican en el mismo bloque de silicio. Con ello se consiguen múltiples ventajas: 

Reducción de tamaño



Mayor fiabilidad, pues se eliminan todos los problemas asociados con la interconexión de los componentes



Menor costo, si el número de circuitos fabricados es elevado

A la hora del diseño, también ofrece ventajas el uso de los circuitos integrados, puesto que estos se comportan como bloques con un comportamiento definido. De esta forma, en muchas ocasiones no es necesario analizar el esquema completo del integrado para predecir su funcionamiento en el circuito. En esta práctica presentamos uno de los circuitos integrados más empleados: el amplificador operacional. Su nombre se debe a que empezaron a emplearse en áreas de computación e instrumentación. Los primeros amplificadores operacionales estaban fabricados con componentes discretos (válvulas, después transistores y resistencias) y su costo era desorbitado. A mediados de la década de los 60 comenzó la producción de operacionales integrados. Pese a que sus características eran pobres (comparándolos con los de hoy en día), y su costo relativamente elevado, este hecho supuso el comienzo de una nueva era en el diseño electrónico. Los diseñadores comenzaron a incorporar operacionales en sus circuitos. La demanda de nuevos y mejores dispositivos fue atendida por los fabricantes de componentes electrónicos, y en unos pocos años se estableció una amplia gama de operacionales de alta calidad y bajo costo. Una de los factores que más ha contribuido al éxito de los amplificadores operacionales es su versatilidad. Se trata de un circuito de propósito general que puede emplearse en multitud de aplicaciones. Por si fuera poco, los modelos necesarios para analizar su comportamiento son muy sencillos, y en la gran mayoría de los casos, puede asumirse un comportamiento ideal. Será precisamente este comportamiento ideal el primer punto que se tratará en el siguiente apartado. Posteriormente se explicarán los diversos modos de operación, para finalizar el tema con unos sencillos circuitos de aplicación.

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL Tal y como acabamos de exponer, el componente electrónico conocido como amplificador operacional es realmente un circuito complejo formado por muchos transistores y otros componentes en un solo circuito integrado. El esquema funcional de un amplificador operacional puede verse en la Figura 1.

Figura 1. Esquema funcional del amplificador operacional.

El amplificador operacional tiene dos entradas. En la primera etapa se amplifica levemente la diferencia de las mismas. Esto se suele expresar también diciendo que se amplifica el modo diferencial de las señales, mientras que el modo común se rechaza. Posteriormente se pasa a segunda etapa de ganancia intermedia, en la que se amplifica nuevamente el modo diferencial filtrado por la primera. La ganancia total es muy elevada, típicamente del orden de 105. Finalmente, en la última etapa no se amplifica la tensión, sino que se posibilita el suministrar fuertes intensidades. Para que este dispositivo pueda funcionar es obvio que necesitará una fuente de alimentación que polarice sus transistores internos. Habitualmente se emplean dos fuentes de alimentación, una positiva y otra negativa. De este modo se permite que la salida sea de uno u otro signo. Evidentemente, la tensión de salida nunca podrá superar los límites que marquen las alimentaciones. No olvidemos que el operacional está formado por componentes no generadores. Una vez realizada esta presentación, hay que aclarar que en la mayoría de los casos, es posible conocer el comportamiento de un circuito en el que se inserta un operacional sin tener en cuenta su estructura interna. Para ello vamos a definir, como siempre, un componente ideal que nos permita una primera aproximación. Y también como es habitual, los cálculos rigurosos necesitarán de modelos más complejos, para los que sí es necesario estudiarlo más profundamente. El símbolo y el equivalente circuital ideal del amplificador operacional se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Representación del amplificador operacional ideal El operacional tiene cinco terminales: 

Entrada no inversora (V+)



Entrada inversora (V-)



Alimentación positiva (ECC)



Alimentación negativa (-ECC)



Salida (VOUT)

A la hora de resolver circuitos se suelen omitir las alimentaciones, ya que como se verá, no afectan al funcionamiento. La representación circuital está formada por una resistencia de entrada, que une los dos terminales, y un generador de tensión de salida. La tensión de salida es proporcional a la diferencia de las entradas. Las características más relevantes del amplificador operacional son: 

Resistencia de entrada muy elevada: A menudo es mayor que 1 M.



Ganancia muy elevada: Mayor que 105.

Las consecuencias que se derivan de estas características son: 

La corriente de entrada es nula: Al ser la resistencia de entrada tan elevada, la corriente que circula por los terminales inversor y no inversor puede despreciarse.



La ganancia puede considerarse infinita.

Con estas dos aproximaciones puede abordarse ya el análisis de algunos circuitos sencillos.

III. INFORME PREVIO a)

Analizar y señalar las características eléctricas del Amplificador Operacional, en base a las hojas de datos de los CI- OP-AMP. -

Contiene una entrada diferencial (entrada doble + y -)

-

Resistencia de entrada muy elevada: A menudo es mayor que 1 M.

-

Ganancia muy elevada: Mayor que 105.

-

La corriente de entrada es nula: Al ser la resistencia de entrada tan elevada. La corriente que circula por los terminales inversor y no inversor puede despreciarse.

-

La ganancia puede considerarse infinita.

b)

Explicar brevemente los tipos de OP-AMP que operan en rango de audiofrecuencias. Los Amplificadores Operacionales que operan en este rango son los que tienen como principal objetivo transmitir las señales para que posteriormente se utilicen en audio o diagramas.

c)

Explicar brevemente los tipos de OP-AMP para aplicaciones digitales. Los Amplificadores que tienen fines digitales suelen convertir la onda o señal de entrada en otra diferente forma, sentido, etc. Con la intención de uniformizar una señal si se desea derivarla o crear una sinusoidal si se desea integrarla.

d)

Explicar el efecto de Tierra Virtual. Consultar cinco autores por lo menos. Tierra virtual, hace referencia al nodo tierra utilizada por del OP-AMP donde van conectadas ambas terminales de alimentación (positiva y negativa). Debido a esto la tierra virtual se utiliza como referencia para el voltaje de salida del OP-AMP e influye directamente en su signo.

e)

Analizar y efectuar el cálculo del siguiente circuito. Hallar y graficar, Vo vs. Vi, Vo vs. f, si Vi= 12mV sen wt ( Si conoce algún programa simulador, verifique resultados)

3. MATERIALES Y EQUIPOS: 

Fuentes de Alimentación.



Potenciómetros



Osciloscopio



Protoboard



Cables de conexión



Generador de señales



Multímetro



01 amplificador operacional TL 081



Diodos rectificadores.



01 amplificador operacional LM741



Resistencias de 1KΩ,10KΩ, 22KΩ y 470KΩ



Condensadores de 0.01uF, 0.1uF

4. PROCEDIMIENTO: Rectificador de media onda. 1.

Arme el siguiente circuito.

2.

Alimente apropiadamente al operacional. Anote los voltajes de alimentación.

3.

Aplique a la entrada una señal de v(t)=2sen(4000 t).

4.

Observé en el osciloscopio las señales de entrada (Vi) y de (Vo) simultáneamente.

5.

Anote las características de cada señal (entrada y salida) registrada en el osciloscopio.

6.

Explique el porqué de la salida. La señal de salida tiene gran impedancia que presenta OP-AMP, el osciloscopio nos da una señal de entrada y salida.

7.

Cuál es la diferencia con un rectificador solo con diodos. En este circuito solo tenemos un diodo lo cual solo se puede rectificar la señal de media onda.

Limitador. 1.

Armar el siguiente circuito

2.

Alimente apropiadamente al operacional. Anote los voltajes de alimentación.

3.

Aplique a la entrada una señal de v(t)=2sen(4000 t).

4.

Observé en el osciloscopio las señales de entrada (Vi) y de (Vo) simultáneamente.

5.

Anote las características de cada señal (entrada y salida) registrada en el osciloscopio.

6.

Explique el porqué de la salida. La señal de salida tiene gran impedancia que presenta OP-AMP, el osciloscopio nos da una señal de entrada y salida.

7.

Cuál es la diferencia con un limitador solo con diodos. En este circuito el rectificador de señal con un solo diodo es limitador es similar a la de media onda, por lo cual solo tiene un diodo.

Rectificador de onda completa. 1. Arme el siguiente circuito.

2. Aplique a la entrada una señal alterna de onda senoidal con voltaje y frecuencia apropiados.

3. Alimente apropiadamente al operacional. Anote los voltajes de alimentación. 4. Aplique a la entrada una señal de v(t)=2sen(4000 t). 5. Observe en el osciloscopio las señales en V1 y V2. Anote sus características. 6. Observé en el osciloscopio las señales de entrada (Vi) y de (Vo) simultáneamente. 7. Anote las características de cada señal (entrada y salida) registrada en el osciloscopio.

8. Explique el porqué de la salida. La señal de salida tiene gran impedancia que presenta OP-AMP, el osciloscopio nos da una señal de entrada y salida. 9. Cuál es la diferencia con un rectificador de onda completa solo con diodos. En este circuito el rectificador de señal es onda completa por los dos diodos, en este también mide media onda, pero entran más parámetros en juego, como el central de transformador.

Convertidor Digital a Analógico. 1. Arme el siguiente circuito.

2. Aplique a la entrada una señal de v(t)=0.2sen(2000 π t).

3. Alimente apropiadamente al operacional. Anote los voltajes de alimentación. 4. Active uno a uno los switchs y en cada caso anote la salida correspondiente. 5. Registre todas las posibles combinaciones en una tabla.

6. Explique el porqué de la salida. La señal de salida tiene gran impedancia que presenta OP-AMP, el osciloscopio nos da una señal de entrada y salida.

5. CONCLUSIONES, OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES:  En conclusión, el amplificador operacional típico también se le conoce como amplificador realimentado en tensión. En él hay una importante limitación respecto a la frecuencia: El producto de la ganancia en tensión por el ancho de banda es constante.

 Este dispositivo se ha utilizado históricamente en audio y otros equipos sensibles, hoy en día es raro su uso debido a las características de ruido mejoradas de los operacionales más modernos. Además de generar un “siseo” perceptible.  En observación, el amplificador operacional presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una disminución de la ganancia conforme se aumenta la frecuencia.  En recomendación, el amplificador como derivador, es poco utilizado en la industria por ocasionar variaciones en la tensión de salida debidas al ruido, para el cual es muy sensible.  Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con la temperatura, los Amplificadores Operacionales también cambian sus características, en este caso hay que diferenciar el tipo de transistor en el que está basado, así las corrientes anteriores variarán de forma diferente con la temperatura si son bipolares.

6. BIBLIOGRAFÍA:  Adalberto Cantú Chapa (2008), Electrónica II, Análisis de diseño con diodos y transistores – Sitio Web: http://zaloamati.azc.uam.mx/bitstream/handle/11191/430/Electronica_II_analisis_de_dise %C3%B1o.pdf?sequence=3&isAllowed=y  Instituto Tecnológico de Soledad Atlántico (2016), Electrónica Análoga – Sitio Web: http://www.itsa.edu.co/docs/16-B-L-Espinel-Modulo-Electronica.pdf  Ing. Tarquino Sánchez A. Quito (2013), Escuela Politécnica Nacional, Electrónica: Dispositivos y Aplicaciones – Sitio Web: https://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/5510/1/Electr%C3%B3nica%20-%20Dispositivos %20y%20Aplicaciones.pdf  Gustavo A. Ruiz Robedro (2001), Electrónica Básica para Ingenieros - Sitio Web: http://www.cartagena99.com/recursos/electronica/apuntes/Electronica%20Basica%20Para %20Ingenieros.pdf