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Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología

Laboratorio de Electrónica I Profesores: Katia Martínez Castillo Miguel Ángel López Martínez Ana Patricia Julio Borja

PRÁCTICA #3 “CONFIGURACIONES AMPLIFICADOR OPERACIONAL”

Equipo 7:  Hernández Castillo Lucila Itza  Pasten Miranda Erick Ivan  Vargas Jimenez Vania Z.

Grupo: 5MM1

ELEMENTALES

DEL

Practica no 3 configuraciones elementales del amplificador operacional



Objetivo general

Construir los diferentes circuitos de que definen las configuraciones básicas de un amplificador operacional.



Objetivos particulares

Describir las configuraciones básicas de operación del amplificador operacional. Analizar las configuraciónes básicas para determinar los parámetros que la describen.
Determinar el diseño de las configuraciones de integrador y derivador.



Introducción:

Modos de configuración del OPAMP: •

Sin realimentación Lazo abierto. La ganancia viene determinada por el fabricante Circuitos comparadores

•

Realimentación positiva (RP)
 Lazo cerrado, desestabilizar el circuito Osciladores

•

Realimentación negativa (RN) Lazo cerrado, configuración más utilizada Amplificador, sumador, amplificador diferencial, integrador, filtros activos, etc.

Sumador inversor



La salida está invertida



Para resistencias independientes R1, R2,... Rn



La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor



Impedancias de entrada: Z n = Rn

Restador



Para resistencias independientes R 1,R2,R3,R4:



Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales



La impedancia diferencial entre dos entradas es Z in = R1 + R2

Integrador ideal



Integra e invierte la señal (V in y Vout son funciones dependientes del tiempo)

o

Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos

Nota: El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el capacitor hasta saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su capacitor.

Derivador ideal



Deriva e invierte la señal respecto al tiempo



Este circuito también se usa como filtro

NOTA: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido.

MATERIAL 

Siete Amplificadores Operacionales 741



Resistencias de valores apropiados (ver circuitos a construir)



Capacitores de valores apropiados



Fuente de Señales



Osciloscopio



Multímetro



Cinco Puntas para medición y conexión coaxial

DIAGRAMA DE BLOQUES



Experimento 1. Amplificador no Inversor

Ajustar generador

Medir con osciloscopio

Calcular

•400 Hz •1 Vpp

•Entrada •Salida

•Ganancias •% de error

Cambiar Ra y repetir •27k •39k •82k



Experimento 2. Amplificador Seguidor

Ajustar generador • 400 Hz • 1 Vpp

Medir con osciloscopio • Entrada • Salida

Variar • Amplitud • Frecuencia



Experimento 3. Amplificador Inversor

Ajustar generador

Medir con osciloscopio

• 500 Hz • 1 Vpp

• Entrada • Salida

• Ganancias • % de error

Calcular

Cambiar Rb y repetir

• 27k • 39k • 82k

Experimento 3. Amplificador Sumador

• 300 Hz • 1 Vpp Ajustar generador

Medir con osciloscopio

• Entrada • Vo seguidor y circuito

• Ganancias • % de error Calcular

RESULTADOS 

Experimento 1. Amplificador No Inversor

Los siguientes resultados se muestran a partir de una señal senoidal generada con un valor pico a pico Vpp= 1 V y frecuencia f=400 Hz. En la tabla se muestran los voltajes de entrada y voltajes de salida dependiendo la resistencia Ra usada en el circuito mostrado en el diagrama experimental correspondiente a este experimento. Tabla 1. Voltajes de entrada y salida para el amplificador no inversor usando varias resistencias

Valor de Ra

Voltajes de salida (Vo) y Voltaje de entrada (Vi) Vi= 1.08 V

10 KΩ Vo= 2.10 V Vi= 1.08 V 27 KΩ Vo= 1.48 V Vi= 1.08 V 39.4 KΩ Vo= 1.35 V Vi= 1.08 V 82 KΩ Vo= 1.24 V

La forma de onda obtenida observada en el osciloscopio es la siguiente. Cabe mencionar que la onda de color amarillo corresponde a la señal de entrada (canal 1 del osciloscopio) mientras que la onda azul representa la señal de salida (canal 2 del osciloscopio).

Ilustración 1. Formas de onda de entrada (amarillo) y salida (azul) del Amplificador No Inversor

Obsérvese que en la figura anterior la señal de salida está amplificada con respecto a la señal de entrada. A partir de los voltajes de entrada y salida se calculó la Ganancia (G) para el amplificador no inversor de acuerdo a lo siguiente: 𝐺=

𝑉𝑜 𝑉𝑖

Tabla 2. Ganancias para el Amplificador No Inversor con valores Ra diferentes

Valor Ra del Amplificador No Inversor

Ganancia 2.10 𝑉

10 KΩ

1.08 𝑉 1.48 𝑉

27 KΩ

1.08 𝑉 1.35 𝑉

39.4 KΩ

1.08 𝑉 1.24 𝑉

82 KΩ

1.08 𝑉

=1.94 =1.37 =1.25 =1.15



Experimento 2. Amplificador Seguidor

Figura 1. Armar este circuito para su analisis.

Ajustar el generador de funciones a una señal senoidal a 400 Hz.

Figura 2. Señal a 1Vpp a 400 Hz dando una amplitud de 2.08v.

Figura 3. Señal a 1Vpp a 200 Hz dando una amplitud igual de 2.08v.

Figura 4. Señal a 3Vpp a 200 Hz obteniendo una amplitud de 6.60v.



Experimento 3. Amplificador Inversor

En la tabla que se muestra a continuación, se muestran los voltajes de entrada y salida medidos en el amplificador inversor, también se muestra la comparación de las formas de onda de entrada (gráfica amarilla) y de salida (gráfica azul).

Tabla 3. Voltajes de entrada y salida medidos en amplificador inversor

Valor de Ra

Voltajes de salida (Vo) y Voltaje Comparación de formas de de entrada (Vi) onda

Vi= 1.08 V

27 KΩ Vo= 1.4 V

Vi= 1.08 V

33 KΩ Vo= 1.7 V

Vi= 1.08 V

82 KΩ Vo= 860 mV



Experimento 4. Amplificador Sumador

En este experimento se sumaron las se sumaron las señales obtenidas del generador de funciones, que se ajustó a 1 𝑉𝑝𝑝 y la resultante del seguidor. Se midieron los siguientes voltajes:

Tabla 4. Voltajes de entrada y salida de amplificador sumador

Voltaje

Voltaje de entrada

1.13 V

Salida del seguidor

2.18 V

Salida del circuito

2.7 V

Forma de onda

ANÁLISIS DE RESULTADOS 

Experimento 1. Amplificador No Inversor

De acuerdo al circuito que representa el amplificador no inversor, el voltaje de entrada relaciona el voltaje de salida con él las resistencias del circuito (divisor de voltaje) a través de la siguiente ecuación: 𝑽𝒊 =

𝑹𝟏 𝑽𝒐 𝑹𝟏 + 𝑹𝟐

Debido a la condición ideal de suponer que la impedancia de entrada es infinita: 𝑽𝒊 𝑹𝟏 + 𝑹𝟐 = 𝑽𝒐 𝑹𝟏

Despejando: 𝑽𝒊 𝑹𝟐 =𝟏+ 𝑽𝒐 𝑹𝟏

Que proporciona la ganancia en lazo cerrado del amplificador no inversor. De esta manera se calcula la ganancia teórica del amplificador con el uso de valores distintos de Ra (R1). Así, se realiza un análisis teórico del amplificador con las resistencias usadas y sus ganancias teóricas para obtener el porcentaje de error al relacionarlas con las ganancias teóricas obtenidas en los Resultados.

Tabla 5. Ganancias teóricas y experimentales del amplificador no inversor y porcentajes de error entre ellas

Valor Ra del Ganancia Amplificador Experimental No Inversor 10 KΩ

2.10 𝑉 1.08 𝑉

=1.9444

27 KΩ

1.48 𝑉 1.08 𝑉

=1.3704

39.4 KΩ

1.35 𝑉 1.08 𝑉

=1.2500

82 KΩ

1.24 𝑉 1.08 𝑉

=1.1481

Ganancia Teórica 10 𝐾Ω

1 + 10 𝐾Ω = 2.000

% de Error 3.00%

0% 1+

10 𝐾Ω 27 𝐾Ω

1+

10 𝐾Ω 39.4 𝐾Ω

1+

10 𝐾Ω 82 𝐾Ω

=1.3704 0.30% = 1.2538 2.32% =1.1220



Experimento 2. Amplificador Seguidor

Medir las señales de entrada y salida, comparar ambas señales y medir la fase entre ellas. Varíe la amplitud y la frecuencia de la señal de entrada, mida la señal de salida. Al variar el voltaje a 1Vpp a una frecuencia de 400 Hz se obtiene un ∆𝑉 = 2.08 𝑣. Cuando se varia a 3 Vpp a una frecuencia de 200 Hz se obtiene un ∆𝑉 = 6.60 𝑣. El seguidor de voltaje con un AO ideal, da simplemente

Pero este resultado tiene una aplicación muy útil, porque la impedancia de entrada del AO es muy alta, proporcionando un efecto de aislamiento de la salida respecto de la señal de entrada, anulando los efectos de "carga". Esto lo convierte en un circuito útil de primera etapa. El seguidor de tensión se utiliza a menudo en los circuitos lógicos, para la construcción de buffers.



Experimento 3. Amplificador Inversor

En esta configuración, la salida dependerá de la relación entre las resistencias de entrada y de retroalimentación. El voltaje de salida está dado por la siguiente ecuación: 𝑉𝑜 = −

𝑅𝑓 𝑉 𝑅1 1

A partir de la Tabla 3, en donde se muestran los resultados obtenidos en la práctica, se calcularán los datos teóricos correspondientes para poder compararlos y calcular el porcentaje de error.

Tomando en cuenta que 𝑅1 = 𝑅𝑎 = 10 𝑘Ω y que 𝑅𝑓 = 𝑅𝑏 tenemos que:

Tabla 6. Comparación de ganancias teóricas vs. prácticas en amplificador inversor

Valor de Rb

Vpp

27 KΩ

Ganacia

% Error

Práctico

Teórico

1V

2.7

1.30

51.99 %

33 KΩ

1V

3.3

1.57

52.30 %

82 KΩ

1V

8.2

0.80

90.29 %



Experimento 4. Amplificador Sumador

En la sección correspondiente al Seguidor, se realizó el análisis de este, por lo que aquí nos enfocaremos al análisis únicamente del sumador.

Vi

Ganacia Práctico

Teórico

% Error

Seguidor

1V

1.13

1.93

93.59 %

Sumador

2.18 V (seguidor) 1.13. V (entrada)

0.97

1

2.60 %

NOTA: PARA EL CÁLCULO DEL ERROR DEL SUMADOR SE TOMÓ EN CUENTA LA SALIDA PRÁCTICA

CUESTIONARIO

1. El valor de ganancia en lazo cerrado para el amplificador no inversor ¿puede ser variada arbitrariamente? Sí, es necesario calcular el valor correcto de las resistencias para obtener la ganancia deseada. 2. ¿A qué se debe las características de la señal de salida del integrador? Debido a que su componente de retroalimentación es un capacitor 3. Para el circuito derivador del experimento calcule el voltaje V0 y la función de transferencia del circuito. 𝑉0 = −

𝑍𝑓 𝑉 𝑍𝑖 𝑖

4. ¿Explique por qué un circuito integrador es realizable y un circuito derivador puede no serlo? Porque el derivador no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido.

CONCLUSIONES En esta práctica observamos algunas de las conexiones posibles con las que se pueden operar los amplificadores operacionales. También apreciamos cómo es que podemos obtener ganancias e inversiones a la salida de nuestro circuito a partir de la forma de conexión realizada y la relación entre las resistencias de entrada y de retroalimentación. Finalmente, concluimos que los amplificadores operacionales pueden ser utilizados amplificar señales de acuerdo a una ganancia o bien para desacoplar impedancias, además, son útiles para para realizar distintas operaciones matemáticas cuando se conectan distintas “etapas” de OPAM’s. Pasten Miranda Erick Ivan

Un AO se diseña de modo que efectúe algunas operaciones matemáticas cuando se le conectan componentes externos, como resistencias y capacitores. Por lo tanto, no interesa la estructura interna del amplificador ni las corrientes y tensiones que existen dentro de esta estructura. Lo que hay que tener en mente es que el comportamiento interno del amplificador es el responsable de las restricciones de tensión y de corriente impuestas en los terminales. Como configuraciones de circuito de un AO permiten realizar los distintos procesamientos de la señal de entrada (generalmente tensión) con el objeto de obtener la señal de salida deseada. Vargas Jimenez Vania

Los OPAM trabajarán con condiciones reales pero sus características deben acercarse a la idealidad. En el caso del amplificador no inversor la señal de salida se ve amplificada pero permanece en fase la entrada y salida. En los amplificadores inversores se observa el cambio en las ondas de entrada y salida, éstas últimas invertidas en los semicilos y variará

la amplificación con el uso de resistencias diferentes en el circuito. El amplificador seguidor proporcionará la misma señal de entrada que de salida y finalmente el amplificador sumador constará de una amplificador seguidor y en la salida un sumador de las señales de entrada. Estos circuitos pueden usarse en circuitos de instrumentación biomédica para fines variados. Hernandez Castillo Itza Lucila

REFERENCIAS CONSULTADAS Boylestad, Robert L. y Nashelsky, Louis. Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. 8° Edición. México : Pearson Educación, 2003. ISBN 970-26-0436-2. Malvino, Albert Paul. Principios de electrónica. 5° Edición. Madrid : McGraw Hill, 1994. ISBN 84-481-1999-1. Floyd, Thomas L. Dispositivos electrónicos. Primera edición. México, D.F. : Editorial Limusa, 1996. ISBN 968-18-5117-X.