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Practicas de Amplificadores Operacionales.

 

 

 

OBJETIVOS

 

 

ü      Medir el voltaje de corrimiento (offset).

ü      Medir de la corriente de polarización de entrada (Ipol).

ü      Medir la Impedancia de Entrada.

 

ü      Diseñar y probar el funcionamiento de un amplificador operacional en sus diferentes tipos de aplicaciones básicas, como sustractor, sumador, integrador y diferenciador.

ü      Obtener sus señales de salida en el osciloscopio.

ü      Comprobar las señales de salida con las teóricas.

 

ü      Comprobar la rectificación de media onda con un amplificador operacional

ü      Comprobar la rectificación de onda completa con un amplificador operacional

 

 

 

 

INTRODUCCION TEORICA

 

El amplificador operacional ideal:

Los fundamentos básicos del amplificador operacional ideal son relativamente fáciles. Quizás, lo mejor para entender el amplificador operacional ideal es olvidar todos los pensamientos convencionales sobre los componentes de los amplificadores, transistores, tubos u otros cualesquiera. En lugar de pensar en ellos, piensa en términos generales y considere el amplificador como una caja con sus terminales de entrada y salida. Trataremos, entonces, el amplificador en ese sentido ideal, e ignoraremos qué hay dentro de la caja.

 

opfig1.gif (4333 bytes)

 

 

·         El amplificador inversor

La figura  ilustra la primera 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

. opfig2.gif (2997 bytes)

 

·         El amplificador no inversor

La segunda configuración básica del AO ideal es el amplificador no inversor, mostrado en la figura 3. Este circuito ilustra claramente la validez del axioma 3.

opfig3.gif (3650 bytes)
Fig. 3

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

 

 

 

El sumador inversor

Utilizando la característica de tierra virtual en el nudo suma (-) del amplificador inversor, se obtiene una útil modificación, el sumador inversor, figura 5.

opfig5.gif (3311 bytes)
Fig. 5

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, es decir:

y también

Como I1 = I2 concluiremos que:

 

El integrador

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

opfig6.gif (2400 bytes)
Fig. 6

Una modificación del amplificador inversor, el integrador, mostrado en la figura 6, se aprovecha de esta característica. Se aplica una tensión de entrada VIN, a RG, lo que da lugar a una corriente IIN.

 

La variación de tensión en CF es

lo que hace que la salida varíe por unidad de tiempo según:

Como en otras configuraciones del amplificador inversor, la impedancia de entrada es simplemente RG

Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

wpe2.jpg (8730 bytes)

 

 

 

El diferenciador

Una segunda modificación del amplificador inversor, que también aprovecha la corriente en un condensador es el diferenciador mostrado en la figura 7.

opfig7.gif (2413 bytes)
Fig. 7

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:

De nuevo diremos que la corriente de entrada IIN, circulará por RF, por lo que IF = IIN

Y puesto que VOUT= - IF RF Sustituyendo obtenemos

Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

wpe4.jpg (9466 bytes)

 

 

El seguidor de tensión

Una modificación especial del amplificador no inversor es la etapa de ganancia unidad mostrada en la figura 8

opfig8.gif (2499 bytes)

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.

SIMBOLO ESQUEMATICO DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL ESTANDAR Y SU USO

 

wpeA.jpg (35296 bytes)

 

 

 

 

 

 

 

 

Experimento  #1

 

“Medición de parámetros de los amplificadores operacionales”

 

 

 

a) Medición del voltaje de corrimiento (offset).

 

Se realiza colocando resistencias tal y como lo muestra el circuito:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Primero se debe obtener la ganancia de el circuito y para ello se divide a R2 entre R1, posteriormente es necesario dividir el voltaje de salida entre el voltaje de corrimiento, así los voltajes obtenidos son:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La gráfica anterior representa el voltaje medido a la salida de el circuito, la señal de entrada es de 2 volts pico a pico.

 

Ganancia de voltaje   Av = - R2 / R1 = 1 MW / 100 KW = 10

 

De lo anterior se observa que la ganancia de voltaje es de 10 y por lo tanto:

 

Voltaje de Corrimiento = Vout / Av = 11.118 / 10 = 1.118

 

 

 

b) Medición de la corriente de polarización de entrada (Ipol).

 

Debido a que las corrientes son muy pequeñas y no se pueden determinar midiéndolas directamente, se debe medir el voltaje y teniendo el valor de la resistencia determinar la corriente por ley de ohm como sigue:

 

i- = IB = VA / R1

 

i+ = IB = VA / R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Y los valores obtenidos se sustituyen en las ecuaciones

 

          i- = 4.101m / 100K  = 41.01 nAmp

          i+ = 5.132m / 91K = 56.39 nAmp

 

Así quedan determinadas las corrientes de polarización.

 

 

 

c) Impedancia de Entrada.

 

Para hacer la medición de este parámetro se debe conectar en una configuración como la siguiente:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La gráfica de señal medida en la salida no inversora.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Se debe ajustar el potenciómetro hasta que la señal mida 0.5 volts pico, esto querrá decir que la resistencia de el potenciómetro y la del amplificador son iguales, esto se deduce del divisor de voltaje, entonces se mide el valor del potenciómetro y ese es el valor de la impedancia de entrada de el amplificador operacional.

 

 

Así la impedancia medida es de: 40Mohms

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


d) Razón de rechazo en modo común:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Se determina la ganancia diferencial:

 

Gd =  - R2 / R1 = R4 / R3 = 100K / 10K = 10

 

Y la ganancia en modo común  G (cm) = Vs(cm) / Ve(cm) = 0.00083

 

Así el CMRR(dB) = 20log10 (Gd / G(cm)) = 81.6118

 

 

 

 

 

 

 

CUESTIONARIO

 

 

  1. ¿Qué es un amplificador operacional?

 

R.- El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante; tiene además límites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltio (especificación también definida por el fabricante).

 

  1. ¿Qué caracteriza a estos?

 

R.- Los amplificadores operacionales se caracterizan por su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes a 100dB.

 

  1. ¿De que otra forma se le puede definir?

 

R.- El A.O es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que tenga excursiones tanto por arriba como por debajo de tierra (o el punto de referencia que se considere).

 

  1. ¿Cual es el A.O. ideal?

 

R.- El Amplificador Operacional ideal se caracteriza por:

ü      Resistencia de entrada,(Ren), tiende a infinito.

ü      Resistencia de salida, (Ro), tiende a cero.

ü      Ganancia de tensión de lazo abierto, (A), tiende a infinito

ü      Ancho de banda (BW) tiende a infinito.

ü      vo = 0 cuando v+ = v-

 

  1. Esquematice el A.O. ideal.

opfig1.gif (4333 bytes)
Fig. 1

  1. Defina las propiedades del A.O. ideal.

R.- Teniendo en mente estas funciones de la entrada y salida, tenemos que:

 

1. La ganancia de tensión es infinita:

2. La resistencia de entrada es infinita:

3. La resistencia de salida es cero:

Ro = 0

4. El ancho de banda es infinito:

5. La tensión offset de entrada es cero:

V0 = 0 sí Vd = 0

 

  1. ¿Cuáles son las configuraciones básicas del A.O.?

R.- Los amplificadores operacionales se pueden conectar según dos circuitos amplificadores básicos: las configuraciones (1) inversora y (2) 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: (3) el amplificador diferencial.

8.       Esquematice el A.O. en configuración inversor y explique su operación básica .

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.

opfig2.gif (2997 bytes)

Fig. 2

9.       Esquematice el A.O. No inversor y explique su operación básica.

opfig3.gif (3650 bytes)
FIg. 3

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

Así pues 

y como

tendremos pues que:

que si lo expresamos en términos de ganancia:

que es la ecuación característica de ganancia para el amplificador no inversor ideal.

 

10.   Esquematice el A.O. diferencial y explique su operación básica.

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, mostrado en la figura 4, tiene aplicadas señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natural del amplificador operacional.

opfig4.gif (3719 bytes)
Fig. 4

 

 

 

Experimento  #2

 

Operaciones Básicas”

 

 

Procedimiento:

 

 

Utilizando nuestro A.O. 741 nos disponemos a armar el circuito sustractor como se muestra en la siguiente figura:

 

Después de haber conectado todo adecuadamente alimentamos nuestro circuito con el voltaje señalado, es decir 12 volts positivos y negativos, y así obtener una señal de salida en el osciloscopio de la siguiente manera:

 

 

 

 

 

 

Ahora procederemos a armar el amplificador sumador del modo que ejemplifica la siguiente figura: 

 

La formula del sumador ideal queda así:

                

y como sus resistencias son iguales su voltaje de salida queda como

                     

Vs = -(V1+ + V2 + V3)

 

Por lo que finalmente podremos visualizar una señal de salida como muestra la Fig.

 

 

Prosiguiendo con la experimentación, ahora montaremos un amplificador integrador como indica el diagrama.

 

 

En este dispositivo el incremento del capacitor en paralelo es lo que permite realizar el proceso principalmente por lo que al meter al A.O. integrador una señal cuadrada como esta que se muestra a continuación:

 

 

 

 

Podremos gracias al capacitor obtener una señal de diente de sierra parecida a esta:

 

 

 

 

 

Finalmente pasaremos a seguir el diseño del amplificador diferenciador que apreciamos en el diagrama y poder medir así la señal de entrada.

 

 

De esta manera podemos apreciar la siguiente señal de entrada.

 

 

Ahora para poder visualizar la señal de salida conectaremos el circuito de la sig. manera.

 

 

 

 

 

Básicamente es muy parecido al integrador, solo que ahora el capacitor lo encontramos en serie en lugar de paralelo por lo que ahora al meter la señal de diente de sierra obtendremos una señal de salida cuadrada parecida a la sig. figura

 

 

 

 

 

CUESTIONARIO

 

 

  1. ¿Cuál el modo de operación básica del A.O. Inversor?

 

Este es el circuito de ganancia constante más ampliamente usado. La tensión de salida se obtiene al multiplicar la entrada por una ganancia fija constante, establecida por la relación entre Rf y R, resultando invertida esta señal respecto a la entrada.

 

 

 

 

 

 

  1. Dibuje el A.O. Inversor

 

inversor

  1. ¿Qué formulas se utilizan en este modo de A.O.?

 

Ecuacion03

 

 

 

  1. ¿Cuál el modo de operación básica del A.O. no Inversor?

 

En este caso la tensión de entrada es aplicada en la terminal no inversora obteniéndose así una tensión de salida proporcional a la tensión de entrada. Nótese que la fase de vo respecto a vi es la misma.

 

 

  1. ¿Cuáles son las formulas de operación de este modo?

Ecuacion04

  1. Esquematice el modo no inversor

 

Amplificador No Inversor

 

  1. ¿Cuál el modo de operación básica del A.O. diferencial?

 

El caso más general de configuración es una combinación de los dos modos anteriores. Es decir, permitir entrada tanto por la puerta inversora como por la no - inversora. La señal de salida será proporcional a la diferencia entre las entradas, y estará en fase con las señales aplicadas.

 

  1. Esquematice el A.O. diferencial

 

Amplificador en Modo Diferencial

  1. ¿Cuál el modo de operación básica del A.O. sumador?

 

Es probable que el más utilizado de los circuitos sea el amplificador sumador; en éste, la salida está dada por una combinación lineal de cada una de las entradas. Mediante este circuito es posible sumar algebraicamente los voltajes de cada una de las entradas, multiplicado por un factor de ganancia constante dado por Rf / Rk.

 

  1. Esquematice el cto. eq. del sumador

 

Sumador

  1. ¿Cuál el modo de operación básica del A.O. derivador?

 

La tensión de salida es proporcional a la derivada de la señal de entrada vi y a la constante de tiempo (t =RC), la cual generalmente se hace igual a la unidad. Para efectos prácticos el diferenciador proporciona variaciones en la tensión de salida ocasionadas por el ruido para el cual es muy sensible, razón por la cual es poco utilizado.

 

 

  1. Esquematice el cto. eq. del derivador

Derivador

  1. ¿Cuál el modo de operación básica del A.O integrador?

 

En este caso la red de realimentación esta dada por un capacitor y la expresión de la tensión de salida es proporcional a la integral de la señal de entrada e inversamente proporcional a la constante de tiempo (t =RC), que generalmente se hace igual a la unidad.

 

  1. Esquematice el cto. eq. del integrador

 

Integrador

 

 

 

Experimento #3

 

“Comparadores  y Limitadores”

 

 

Procedimiento:

 

1. Arme los  siguiente circuito y  obtenga las graficas de salida.

 

 

a) Comparador de saturación con entrada no inversora

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Salida con Vi>Vref

 

 

 

 

 

 

Salida con Vi<Vref

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


b) Comparador de saturación con entrada inversora

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Salida cuando Vi>Vref

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Salida cuando Vi<Vref

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


c) Comparador de cruce variable

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Grafica de salida (entradas inversoras)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


d) Comparador de cruce variable (entradas no inversoras)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Grafica de Salida

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


e) Comparador limitador

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Grafica de salida

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f) Comparador limitador balanceado

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Grafica de salida

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


            CUESTIONARIO

 

 

  1. ¿Defina que es A.O. comparador?

 

R.- Básicamente, un comparador es un A.O. sin retroalimentación negativa

 

  1. ¿Para que puede usarse principalmente?

 

R.- Puede utilizarse para detectar cruces por cero. También puede diseñarse de manera que tendrá dos umbrales en lugar de uno solo, que son un umbral alto VTH y un umbral bajo VTL.

 

  1. ¿De cuantas formas diferentes se puede configurar un comparador?

 

R.- existen 4: de saturación, cruce por cero, limitador y limitador balanceado.

 

  1. ¿De que dependen los comparadores por saturación?

 

R.- dependen de la elevada ganancia de lazo abierto para llevar el amplificador operacional a saturación.

 

  1. Esquematice el comparador de saturación.

 

 

 

  1. Dibuje las graficas del comparador de saturación

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. ¿Cómo se forma y funciona un  comparador limitador?

 

R.- Un comparador limitador se forma con un diodo como elemento de retroalimentación, y  cuando el diodo esta polarizado inversamente, la ausencia de retroalimentación hace que el amplificador operacional funcione en el modo de lazo abierto y se sature para tensiones de entrada negativas, y Vo= tensión de saturación del amplificador operacional, conforme aumenta Vi , el diodo se polariza directamente (esto ocurre cuando Vi>Vref+Vg).

 

 

  1. Ilustre el cto. para un comparador limitador.

 

 

  1. dibuje su grafica de operación

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Sin embargo el limitador anterior no esta balanceado, ¿por qué?

 

R.- El limitador descrito no está balanceado, ya que sus características de transferencia de conmutación no son simétricas. El circuito puede modificarse para proporcionar una operación balanceada

 

  1. ¿Cómo se modificaría el limitador par balancearlo?

 

Quedando su grafica de la sig. manera:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. ¿Cuáles son las dos maneras en la que se pueden conectar el comparador por cruce variable y dibuje su respectiva grafica?

 

a)       

 

V0 alto cuando

  ó

se puede utilizar cualquier polaridad para Vref.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)     
 

 

V0 alto cuando

  ó

 

 

se puede utilizar cualquier polaridad para Vref.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EXPERIMENTO #4

 

Rectificadores

(de media onda y onda completa)

 

 

 

Procedimiento:

 

a)      Rectificador de media onda

 

  1. Arme el circuito de un rectificador de media onda con el propósito de utilizar amplificadores operacionales conectándolo en forma inversa como se muestra el circuito

 

 

 

  1. Compruebe que la señal de salida se obtenga rectificada media onda como se muestra en la figura

 

 

 

 

 

 

  1. Invierta la polaridad de uno de los diodos parea obtener una señal  rectificada inversa de media onda con salida negativa como se muestra.

 

 

 

 

 

 

 

b)      Rectificador de onda completa

 

  1. Arme el circuito utilizando 2 741 o su equivalente para obtener una señal rectificada de onda completa.

 

           

 

CUESTIONARIO

 

 

  1. ¿Cómo se define un rectificador?

 

R.- Un circuito rectificador es un circuito que convierte potencia de ca en potencia de cc con el cual se puede suprimir la fem. inversa o bien disponer las conexiones del circuito de modo que las dos mitades de la onda circulen en el mismo sentido en el circuito receptor.

 

  1. ¿Cuántos tipos de rectificadores hay?

 

R.- Existen 3: el de media onda, onda completa y de onda completa con derivación central.

 

  1. ¿Cuál es la diferencia entre los 3 tipos de rectificadores?

 

R.- Que producen grados variables de alisamiento en su salida de cc.

 

  1. ¿Cuál es el uso general del rectificador de media onda?

 

R.- El rectificador de media onda generalmente se usa sólo para aplicaciones de baja corriente, o de alta frecuencia, ya que requiere una capacitancia de filtrado mayor para mantener el mismo voltaje de rizado que un rectificador de onda completa.

 

  1. ¿Cuál es su factor de salida?

 

R.- Un rectificador de media onda tiene un factor de rizado r = 121%, lo que significa que tiene más componentes de voltaje de ca en su salida que componentes de voltaje de cc, en consecuencia, no es una forma muy buena de producir voltaje de cc a partir de una fuente de ca.

 

  1. Dibuje su configuración y su onda de salida y como se vería la señal en el osciloscopio.

 

 

  1. ¿Cómo quedaría si pusiéramos el intervalo t=0 -> T/2?

 

 

  1. ¿Cuáles son las características del rectificador con derivación central?

 

R.- El rectificador con derivación central disipa menos potencia, requiere menos espacio, y es, en teoría más económico que el puente de diodos, ya que solamente utiliza dos diodos en vez de cuatro. Al utilizar dos diodos, posee una impedancia menor que un puente. Sin embargo, para el mismo voltaje CD requerido en la salida, los diodos deben de tener el doble de voltaje pico inverso (PIV).

 

  1. Dibuje su configuración, su onda de salida y su grafica.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Dibuje la configuración, la onda de salida y la grafica del rectificador de onda completa.

 

 

 

 

 

 

 

 

BIBLIOGRAFIA

 

 

 

http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/2912/ 

 

 

 

http://www.ifent.org/temas/amplificadores_operacionales.htm