Amplificadores operacionales

Amplificador OperacionalLaboratorio de electrnica 2o cuatrimestre de 2005

1

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Por G.M. Bosyk, A.R. Martnez y D. Martnez Heimann

Docente: Dr. Cesar Moreno Laboratorio de Electrnica

Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Universidad de Buenos Aires

Buenos Aires Argentina

En el presente trabajo se estudia el funcionamiento de los circuitos integrados denominados amplificadores operacionales. En una breve introduccin se describe el esquema bsico de dichos dispositivos y algunas de sus caractersticas fundamentales. Se presentan los mtodos experimentales empleados para determinar estas caractersticas. Se estudia el uso del dispositivo en aplicaciones prcticas como amplificadores, seguidores, enclavadores o comparadores de seal. Finalmente se presentan las mediciones realizadas y se discuten los resultados obtenidos.

1 INTRODUCCION [1]

Antiguamente, los amplificadores operacio-nales se construyeron como circuitos discretos. La palabra discretos quiere decir separados o distintos y se refiere al uso de transistores y resistencias separados en la construccin de circuitos. Histricamente, los primeros amplificadores operacionales fueron utilizados en computadoras analgicas, donde ejecutaban operaciones matemticas. Actualmente se los produce como circuitos integrados. En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques de un amplificador operacional. Como etapa de entrada, se utiliza comnmente un amplificador diferencial. Luego de amplificada la seal, esta avanza a una etapa intermedia, donde vuelve a ser amplificada. La etapa final del amplificador es generalmente un seguidor por emisor en contrafase. Este produce una ganancia de potencia, as como una impedancia de salida pequea. Analizando el amplificador diferencial se pueden estudiar

las caractersticas de entrada del amplificador operacional.

Figura 1: Diagrama de bloques de un amplificador operacional.

En la figura 2 se muestra la forma del amplificador diferencial que se utiliza en el amplificador operacional de los circuitos integrados, con resistencias en la base. La idea bsica es la siguiente: cuando la tensin en el transistor Q1 se incrementa, aumenta la corriente de emisor; esto eleva la tensin en el nodo superior de RE, lo que equivale a disminuir la tensin VBE del transistor Q2. Menor tensin base-emisor en el transistor implica menor corriente de colector en el

Vin Vout

Amplificador diferencial

Ms etapas de ganancia

Seguidor por emisor en contrafase


2

mismo, lo que a su vez incrementa la tensin de salida. La entrada de Q1 se denomina no inversora, la tensin de salida esta en fase con la aplicada.

Figura 2: Amplificador diferencial con resistencias en las bases.

Dado que el amplificador diferencial suele ser la primera etapa de un amplificador operacional, se describen dos importantes caractersticas de entrada conocidas como corriente de offset y corriente de polarizacin de entrada. Las corrientes de base circulan a travs de las resistencias de base de un amplificador diferencial. La corriente de offset de entrada se define como la diferencia entre estas corrientes.

1 2IO B BI I I= - (1)

Esta diferencia en las corrientes de base indica la semejanza de los transistores. Generalmente, estos son diferentes, con lo que las corrientes son desiguales. La corriente de polarizacin de entrada se define como el valor medio de las dos corrientes de base.

1 2( .) 2B B

in pol

I II

+= (2)

En los amplificadores operacionales, a la salida del amplificador diferencial se suele

utilizar un capacitor de compensacin que permite controlar la frecuencia de corte del dispositivo -impidiendo que esta quede determinada por las capacidades del los transistores y las capacidades parsitas- y que tambin permite evitar las posibles oscilaciones de un amplificador con ganancia alta. El uso de este elemento de circuito introduce una importante caracters-tica de los amplificadores operacionales denominada slew rate. Ante cambios rpidos en la seal de entrada de tensiones superiores a las necesarias para saturar el amplificador diferencial, la carga del circuito es dominada por el comportamiento exponencial del capacitor de compensacin. La velocidad de respuesta se refiere a la pendiente inicial de esta carga exponencial, determinada por la constante de tiempo RC correspondiente. Esencialmente, el slew rate representa la respuesta ms rpida que un amplificador es capaz de dar El modelo de amplificador operacional ms ampliamente difundido como standard industrial y comercial es el 741. El circuito interno del mismo consiste, inicialmente, en un amplificador diferencial como primera etapa de entrada que brinda una ganancia de tensin. Posteriormente se utiliza un seguidor por emisor que permite obtener una nueva ganancia de tensin, as como un incremento en la impedancia. Finalmente se emplea un seguidor por emisor en contrafase. En la figura 3 se muestra el smbolo elctrico de un amplificador operacional. A representa la ganancia de tensin.

Figura 3: Smbolo elctrico del amplificador operacional.

Se denomina entrada diferencial a la diferencia entre la entrada no inversora (+) y


3

la inversora (-). La tensin de salida esta dada entonces por:

( )out inv Av A v v+ -= = - (3) Para un amplificador operacional 741C (comercial) el valor tpico de A es de aproximadamente 100000, mientras que la impedancia de entrada es de 2M y la de salida, tpicamente de 75. A partir de estas magnitudes, para el anlisis de circuitos con amplificadores operacionales se trabaja con las siguientes aproximaciones:

0in

out

A

z

z

(4)

A continuacin se presentan los mtodos experimentales que, a partir de las mencionadas aproximaciones, permiten estudiar las caractersticas fundamentales de un amplificador operacional como ser ganancia de tensin, corriente de polarizacin, etc. Adems, se estudian posibles aplicaciones del dispositivo en circuitos discretos como recortadores, enclavadores o comparadores.

2 DESARROLLO EXPERIMENTAL

1) Ganancia en lazo abierto (A): Para intentar determinar la ganancia de un amplificador operacional 741 se mont el circuito de la figura 4. Utilizando sobre la entrada no inversora un potencimetro de 10k como divisor de tensin se observ la salida del circuito al variar la tensin de entrada.

Figura 4: Circuito para determinar la ganancia en lazo abierto.

Posteriormente se midi la corriente de entrada del dispositivo colocando una resistencia de 1M en serie con la entrada no inversora. La cada de tensin sobre esta resistencia se midi mediante un multmetro digital. 2) Amplificador inversor: Dado que los amplificadores operacionales tienen tpicamente una ganancia del orden de 100.000, no resulta muy til su uso como amplificadores a lazo abierto ya que el dispositivo satura incluso para seales de entrada muy pequeas. Para poder tener control sobre la ganancia se utilizan circuitos como el de la figura 5, donde se emplea sobre el terminal inversor una realimentacin negativa -en el sentido que la seal que regresa tiene una fase opuesta a la de la seal de entrada.

Figura 5: Amplificador inversor con realimentacin de tensin.


4

Partiendo de las aproximaciones para amplificador ideal (ecs. (4)) es sencillo analizar la ganancia del circuito. Dado que, en esta aproximacin, la ganancia del dispositivo es infinita, se halla que la tensin diferencial (la diferencia de tensin entre las terminales del amplificador) es nula. As, la corriente que circula por la resistencia de entrada es la misma aquella de la resistencia de realimentacin. Entonces, la ganancia del circuito est dada por:

real

in

RA

R= - (5)

De esta manera, es posible controlar la ganancia del circuito mediante la variacin de la resistencia de realimentacin. El signo negativo en la ganancia se debe a que la seal de salida esta invertida respecto de la de entrada. Se mont el circuito de la figura 5, en todos los casos (salvo indicacin explcita) se aliment el amplificador operacional con fuentes de 12V. Para simular la seal de entrada se utiliz un generador de funciones. La tensin de salida se midi por medio de un osciloscopio. Utilizando como entrada una seal sinusoidal de 1kHz de frecuencia y milivolts de amplitud se estudi la ganancia del circuito en funcin de la alimentacin del amplificador, la frecuencia y amplitud de la seal de entrada. Por ltimo se estudiaron las impedancias de entrada y salida del amplificador inversor. 3) Amplificador no inversor: En la figura 6 se muestra un circuito amplificador no inversor. Este diseo permite tener una variante de uso para el amplificador operacional con ganancia controlada.

Figura 6: Amplificador no inversor.

Nuevamente, en la aproximacin de amplificador ideal, se tiene que el punto B se encuentra a la tensin de entrada, ya que la diferencia de potencial entre los terminales es nula. La tensin de salida resulta entonces igual a la cada sobre R1 sumada a la de R2:

221 1

1inout in inV R

V V R VR R

= + = + (6)

De donde:

2

1

1R

AR

= + (7)

Se mont el circuito de la figura 6; luego se analiz la ganancia del mismo por medio de una seal de entrada sinusoidal, de 0.5 Vpp de amplitud y 1kHz de frecuencia. Posteriormente se midi la impedancia de entrada del circuito utilizando una resistencia de 1M en serie con la entrada. 4) Seguidor: Partiendo del circuito amplificador no inversor, pero eliminando la resistencia de realimentacin (R2 = 0), se tiene un circuito seguidor de seal. Se mont el circuito y se estudi su comportamiento como seguidor a distintas frecuencias. Adems, se midi la impedancia de entrada utilizando una resistencia en serie de 100 k. Finalmente se estudi la impedancia de salida del circuito.


5

5) Limitaciones del amp. operacional: 5.1) Slew Rate: Para la medicin del slew rate del amplificador operacional, se mont el circuito de la figura 7. Para medir el valor del slew rate se utiliz una seal cuadrada de 16 Vpp y se obtuvo el resultado a partir de la pendiente de las transiciones de la seal de salida. Se repitieron las mediciones para otro tipo de amplificador operacional comercial denominado 355. Posteriormente, para ambos tipos de amplificadores, se inyect una seal sinusoidal de 10 Vpp a la entrada del circuito y se estudi la respuesta en frecuencia, analizando hasta que valor de la misma el circuito responda correctamente.

Figura 7: Circuito de medicin del slew rate. La resistencia en serie se utiliza para evitar daos en el circuito integrado.

5.2) Tensin de offset Corriente de polarizacin de entrada: Para la medicin de la tensin de offset del amplificador operacional se mont el circuito amplificador no inversor de ganancia 1000 de la figura 8. Para evitar los efectos de la corriente de polarizacin de entrada se coloc la entrada de la terminal no inversora a tierra.

Figura 8: Circuito de medicin de offset. Para la medicin de la corriente de polarizacin se elimina la conexin a tierra de la terminal no inversora.

Utilizando el mismo circuito para amplificar el offset a niveles medibles, se estudi el valor de tensin a la salida por medio de un multmetro digital para determinar la tensin de offset. Posteriormente se quit la conexin a masa de la terminal no inversora. As, midiendo la cada de tensin sobre la resistencia de 100 k de dicha terminal, se determin el valor de la corriente de polarizacin de entrada. 6) Circuitos recortadores activos: Como aplicacin de los amplificadores operacionales en circuitos discretos se estudiaron los circuitos recortadores, enclavadores y comparadores. En la figura 9 se muestra un circuito recortador activo. Brevemente, el modo de funcionamiento es el siguiente: si se fija la tensin sobre la entrada no inversora en cero, cuando la tensin de entrada es ligeramente negativa, el diodo conduce ya que el amplificador lleva a la salida una tensin ligeramente positiva, de esta manera se tiene una masa virtual en el nudo de salida al ser la resistencia de realimentacin nula. Por otra parte, cuando la entrada es ligeramente positiva, la salida del amplificador es negativa y el diodo no conduce. As el lazo de realimentacin est


6

abierto y la tensin de salida sigue al semiciclo positivo de la seal de entrada. Claramente, una inversin del diodo permite recortar el semiciclo positivo y quedarse con el negativo de la entrada. Es sencillo ver entonces que una variacin en el preset permite variar el nivel del recorte de seal.

Figura 9: Circuito recortador activo.

Se mont el circuito y se estudi la respuesta ante una seal sinusoidal de entrada de 1 Vpp y 1kHz de frecuencia. Se analiz luego el comportamiento del circuito para altas frecuencias. 7) Circuitos enclavadores activos: La figura 10 muestra un circuito enclavador activo.

Figura 10: Circuito enclavador activo.

Suponiendo inicialmente el valor de preset tal que la terminal no inversora est a tierra, se tiene que el primer semiciclo positivo de la entrada produce una salida negativa en el amplificador, por lo que el diodo conduce. Debido a la masa virtual, el capacitor se carga al valor de pico del semiciclo de entrada.

Justo despus de este semiciclo positivo, el diodo se corta, se abre el lazo de realimentacin y la tensin de salida resulta igual a la suma de las tensiones de entrada y del capacitor. De esta manera, la seal de salida est desplazada al valor de pico de la seal de entrada. Nuevamente, la variacin del preset permite fijar el nivel mnimo de la seal de salida. Se mont el circuito y se estudi la respuesta del mismo ante una seal sinusoidal de entrada de 1 kHz de frecuencia. 8) Comparadores: Gracias al modo bsico de funcionamiento de un amplificador operacional estudiado en la seccin 1, se observa que pueden utilizarse estos dispositivos para el diseo de circuitos comparadores como el que se muestra en la figura 11.

Figura 11: Circuito comparador simple.

Se mont el circuito de la figura y se estudi la respuesta ante una seal sinusoidal de entrada de 2.4 Vpp y 2 kHz de frecuencia. Posteriormente se reemplaz el amplificador 741 por un 311, como se muestra en la figura 12, a fin de estudiar su respuesta en el mismo circuito con idntica seal de entrada.


7

Figura 12: Circuito comparador simple utilizando un amplificador 311.

9) Schmitt trigger[1]: Si la entrada de un comparador contiene ruido, la salida puede ser errtica cuando la tensin de entrada est cerca del punto de conmutacin. Es posible evitar este efecto utilizando el circuito que se muestra en la figura 13, denominado Schmitt trigger o bscula de Schmitt.

Figura 13: Schmitt trigger.

Ntese como la realimentacin del circuito es positiva en lugar de negativa. Esto implica que se realimenta tensin a la entrada en forma aditiva, es decir, la realimentacin positiva refuerza el estado de la salida existente. Esto implica que la tensin de salida del comparador permanecer en un estado dado hasta que la de entrada exceda la tensin de referencia de ese estado. De la figura 13, puede verse que la cantidad de realimentacin es

10

10 100

kB

k k

W= W + W (8)

Por ende, cuando la salida est saturada positivamente, la tensin de referencia ser este valor B multiplicado por una tensin de saturacin positiva y cuando la salida este saturada negativamente ser el mismo valor multiplicado por una tensin de saturacin negativa. Estas tensiones pueden coincidir o no, dependiendo del circuito en cuestin. Se mont el circuito indicado y se analiz la respuesta del mismo ante una excitacin sinusoidal a la entrada de 2 Vpp y 1 kHz. Se repiti el anlisis conectando la terminal 1 de alimentacin del 311 alternativamente a tierra y a -12V.

3 - RESULTADOS Y DISCUSIN

1) Ganancia en lazo abierto (A): Se observ experimentalmente que la respuesta del circuito al variar la tensin de entrada por medio del potencimetro resultaba brusca. Al superar un determinado valor de referencia, la seal de salida resultaba ser de 12V. Esto se debe a que el dispositivo presenta un valor muy alto de ganancia (del orden de 100000) por lo que la salida satura inmediatamente ante una pequea seal de entrada. De esta forma se concluye que un amplificador operacional, en este modo de funcionamiento, no resulta til como amplificador sino que podra ser utilizado como controlador de un determinado nivel de referencia -que se fija en la terminal inversora- o bien servira para obtener una seal cuadrada a partir de una senoidal (aplicacin que se estudia ms en profundidad en los circuitos comparadores de la seccin 8). Posteriormente se midi la corriente de entrada, obtenindose un valor de


8

IBIAS = -200nA. El signo negativo indicara que los transistores de entrada del 741 son de tipo pnp. Al observar el diseo del circuito interno de dicho dispositivo (ver ref. 1, pg. 696) se verifica esta suposicin. El valor medido se encuentra dentro del rango esperado: IBIAS(tpica) = 80nA, IBIAS(mxima) = 500nA. 2) Amplificador inversor: En la figura 14 se muestran los resultados obtenidos para la medicin de la ganancia del circuito amplificador inversor. En (A) se muestran las seales de salida y de entrada, mientras que en (B) se observa el anlisis de datos llevado a cabo, a partir del cual se obtuvo un valor de ganancia para el circuito de A = 10,3 0,1. Se observa en la imagen la inversin de la seal de entrada.

Figura 14: Ganancia del amplificador inversor. A) Seales de salida y entrada medidas. B) Ajuste lineal del cociente entre las seales. Se obtuvo A = 10,3 0,1.

En la figura 15 se muestra el anlisis llevado a cabo para estudiar los lmites en la tensin de salida del circuito. Variando la alimentacin del 741 se analiz la mxima excursin en la tensin de salida hasta que el circuito recortase.

Figura 15: Dependencia de la seal de salida con la tensin de entrada y la alimentacin del 741. A) Fuente simtrica (12V). B) Fuente asimtrica -12V a 5V.

En (A) se muestra la respuesta del circuito al alimentar el 741 simtricamente (12V). Se observ una mxima excursin de la seal de entrada de 2.44 Vpp antes de que el circuito recortase. Se ve adems que el recorte se produce en -12V y en forma asimtrica. En (B) se nota la respuesta ante una alimentacin asimtrica (5V a -12V). En este caso, la mxima tensin de entrada result ser de 1.76 Vpp y se ve el recorte asimtrico en +5V. Conectando nuevamente la alimentacin del 741 a 12V, se estudi la respuesta del circuito en funcin de la amplitud y frecuencia de la seal de entrada. La figura 16 muestra las mediciones realizadas. En (A) se muestra el circuito en rgimen, manteniendo la forma de la seal de entrada con una amplificacin de 10. En este caso se utiliz una seal de entrada sinusoidal de 1,3 Vpp y 17,6 kHz.

0 1000 2000 3000

-4

-3

-2

-1

0

1

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

-4

-3

-2

-1

0

1 salida entrada

V (

V)

t (ms)

(A)

Sal

ida

(V)

Entrada (V)

(B)

0 1000 2000 3000 4000 5000

-10

-5

0

5

10

15

0 1000 2000 3000 4000 5000

-10

-5

0

5

10

15 Entrada (2.44 Vpp) Salida

V (

V)

t (ms)

(B) Entrada (1.76 Vpp) Salida

V (

V)

t (ms)

(A)


9

Figura 16: Dependencia del circuito con la amplitud y frecuencia de la seal de entrada. A) Circuito en rgimen. B) Comportamiento a altas frecuencias. C) Comportamiento para tensiones de entrada altas.

En (B) se muestra el comportamiento para mayores frecuencias. Se observ que para frecuencias mayores a 56,6 kHz, la ganancia del circuito se reduca y la forma de la seal de salida no reproduca correctamente la de la seal de entrada. En (C) se muestra la dependencia de la seal de salida con la amplitud a una frecuencia fija de 17,6 kHz. Al aumentar la tensin de la seal de entrada se observ que a partir de un valor de aproximadamente 1,5 Vpp la seal de salida se vea distorsionada. En la figura se observa la respuesta para una seal de entrada de 2,6 Vpp. Para este valor, la ganancia result ser de 7,4 y puede verse la distorsin en la seal de salida, similar a una seal triangular. Por ltimo, se estudiaron las impedancias de entrada y salida del circuito. En la figura 17 se presentan los resultados obtenidos. En (A) se observa la medicin de la impedancia de entrada. En rojo se muestra la seal de entrada de 1,3 Vpp y 100 Hz; en negro, cada de tensin sobre la entrada inversora, de aproximadamente 6 mV. Es claro de estos datos que la mayor parte de la seal cae sobre la resistencia de 1 k, con lo cual zin 1 k. Este resultado permite verificar experimentalmente la aproximacin

propuesta, ya que implica que la tensin diferencial de entrada es prcticamente nula cuando el dispositivo no se encuentra saturado.

Figura 17: Medicin de las impedancias del circuito amplificador inversor. A) Impedancia de entrada. B) Impedancia de salida.

Para determinar la impedancia de salida se coloco una resistencia de carga de 560 en serie con el circuito. En (B) se muestran la seal de salida y la cada de tensin sobre la resistencia de carga. Las seales son prcticamente idnticas, lo que permite deducir que la impedancia de salida es prcticamente nula, zout 0. 3) Amplificador no inversor: En la figura 18 se presentan los resultados obtenidos para la ganancia del circuito amplificador no inversor.

0 100 200 300 400 500-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

0 100 200 300 400 500-4

-2

0

2

4

0 100 200 300 400 500-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

V (

V)

t (ms)

V (

V)

t (ms)

(C)(B) Entrada (2.6 Vpp, 17.6 kHz)

Salida (19.4 Vpp) Entrada (1.3 Vpp, 56.6 kHz)

Salida (6 Vpp)

Entrada (1.3 Vpp, 17.6 kHz)

Salida (13.3 Vpp)

V (

V)

t (ms)

(A)

0 5 10 15 20 25-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

0 500 1000 1500 2000 2500-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

(B) salida del amp.op. V sobre la carga (R=560W) Entrada (1.3 Vpp, 100 Hz)

V sobre la entrada "-" (6 mVpp)

V (

V)

t (ms)

(A)

V (

Vol

ts)

t (ms)


10

Figura 18: Ganancia del amplificador no inversor. A) Seales de salida y entrada medidas. B) Ajuste lineal del cociente entre las seales. Se obtuvo A = 11,1 0,1.

A partir de los datos se realiz un ajuste lineal del cociente entre tensin de entrada y salida y se obtuvo un valor A = 11,1 0,1 para la ganancia del circuito, resultado consistente con lo predicho (ec. (7)). Se observa en la figura que la seal de salida no se encuentra invertida respecto de la entrada. En la figura 19 se muestran las mediciones realizadas para la determinacin de la impedancia de entrada del circuito. En negro se observa la seal de entrada; en rojo la tensin sobre la entrada no inversora. A partir de los resultados obtenidos se hall para el circuito zin 0,8 M. Este circuito no mantiene la baja impedancia de entrada que presenta el amplificador no inversor.

Figura 19: Impedancias de entrada del amplificador no inversor. Se obtuvo un valor de aproximadamente 0,8 M. .

4) Seguidor: En la figura 20 se presentan las mediciones efectuadas sobre el circuito seguidor diseado (amplificador no inversor de ganancia 1). En (A) se observan los resultados para la impedancia de entrada del circuito. A partir de la cada de tensin sobre la resistencia de 100 k se calcul un valor de zin 0,9 M. En (B) se muestran los datos de la medicin para la impedancia de salida; nuevamente la cada de tensin sobre la carga prcticamente coincide con la tensin de

salida ya que la impedancia de salida es aproximadamente nula.

Figura 20: Medicin de las impedancias del circuito seguidor. A) Impedancia de entrada, sobre la resistencia de entrada caen aproximadamente 120 mV, de donde zin 0,9 k. B) Impedancia de salida, la cada sobre la carga prcticamente coincide con la tensin de salida del circuito.

Finalmente se estudi la respuesta de este circuito para altas frecuencias. En la figura 21 se observan los datos obtenidos. En la figura puede verse que para altas frecuencias, el circuito no responde como seguidor ya que distorsiona la seal y pierde ganancia notablemente. Las limitaciones del amplificador operacional que generan esto son estudiadas a continuacin.

0 2000 4000 6000 8000 10000

-6

-4

-2

0

2

4

6

-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6

-6

-4

-2

0

2

4

6

Entrada Salida

V (

V)

t (ms)

(A)

Sal

ida

(V)

Entrada (V)

(B)

0 2000 4000 6000 8000 10000-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

V (

V)

t (ms)

Entrada (1.36 Vpp, 1 kHz) V sobre la entrada "+" (0.6 Vpp)

0 100 200 300 400 500

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0 100 200 300 400 500

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Salida del amp.op. V sobre la carga (R=560W)

Entrada (1.2 Vpp, 1 kHz) V sobre la entrada "+" (1.08 Vpp)

V (

V)

t (ms)

(B)

V (

V)

t (ms)

(A)


11

Figura 21: Respuesta del seguidor a altas frecuencias. Se observan los efectos de algunas de las limitaciones del amplificador operacional.

5) Limitaciones del amp. operacional: 5.1) Slew Rate: En la figura 22 se presentan los resultados obtenidos para la medicin del slew rate del amplificador 741. En (A) se observa la respuesta ante una seal de entrada cuadrada.

Figura 22: Medicin del slew rate para el 741. A) Transiciones de respuesta del dispositivo, en azul se muestra el ajuste lineal para determinar la pendiente. B) Determinacin de la frecuencia para la cual se pierde ganancia.

Midiendo el tiempo de transicin de la seal y mediante un ajuste lineal de los datos se hall para este dispositivo un slew rate de

(0.800.01)V/ s. Este valor es del orden del valor tpico para un 741 de 0,5 V/ s. Para el mismo dispositivo, en (B), se observa la respuesta ante una seal de entrada sinusoidal. Se hall que, para una tensin de entrada fija en 10 Vpp, la frecuencia a la cual la amplitud de salida comenzaba a caer era de 32,5 kHz. Este resultado es consistente con el valor de slew rate hallado ya que una seal de 10 Vpp con un slew rate de 0,8 V/ s implica un intervalo de tiempo de seal de 25 s, valor del orden de los 30 s por pulso a 33 kHz de frecuencia. En la figura 23 se muestran los resultados obtenidos para el amplificador operacional 355. Se obtuvo para este dispositivo un valor de slew rate de (9.490.02) V/ s, del orden de los 5 V/ s tpicos para un 355. La frecuencia para la cual la respuesta dejaba de ser la esperada result ser de 500 kHz. Nuevamente, a partir del slew rate medido, y para 10 Vpp, se tiene un tiempo de seal mnimo de 2 s, equivalente a 500 kHz de frecuencia.

Figura 23: Medicin del slew rate para el 355. A) Transiciones de respuesta. B) Frecuencia de corte.

La existencia de esta limitacin permite explicar los efectos de distorsin observados en secciones anteriores. La distorsin por slew rate tpicamente hace que la seal de salida semeje mas una triangular que una sinusoidal cuando la pendiente de la seal de entrada supera la velocidad de respuesta del circuito (observado en las secciones 2 y 4).

0 2000 4000 6000 8000 10000

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

V (

Vol

ts)

t (ns)

Entrada (1.82 Vpp, 545 kHz) Salida (0.64 Vpp)

0 1 2-6

-4

-2

0

2

4

6

0 1 2 3 4 5

-6

-4

-2

0

2

4

6

(B) Entrada Salida

V (

V)

t (ms)

(A) Entrada (10 Vpp, 500 kHz) Salida

V (

V)

t (ms)

0 5 10 15 20 25 30

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250-6

-4

-2

0

2

4

6

(B) Entrada Salida

V (

V)

t (ms)

(A) Entrada (10 Vpp, 32.5 kHz) Salida

V (

V)

t (ms)


12

5.2) Tensin de offset Corriente de polarizacin de entrada: Se midi la cada de tensin a la salida del circuito indicado (figura 8) y se hall un valor amplificado de offset de 600 mV, implicando una tensin de offset de 0,6 mV. Este valor se encuentra dentro de lo esperado tpicamente Voff = 2 mV (tip.), 6 mV (max.). Esta tensin de offset puede introducir efectos no deseados, por ejemplo si se busca tener un circuito que controle un nivel de tensin de referencia ya que la presencia de una tensin fija de entrada modifica este valor, posiblemente disparando la seal de salida. Para evitar la presencia de esta seal residual se utiliza una red de ajuste de offset consistente en un potencimetro que se conecta a dos de las terminales del amplificador operacional y permite fijar esta magnitud prcticamente en cero. Por otra parte, se midi la corriente de polarizacin de entrada del dispositivo, obtenindose un valor de IBIAS = 0,04 A, valor consistente con las especificaciones: IBIAS = 0,08 A (tip.), 0,5 A (max.). 6) Circuitos recortadores activos: En la figura 24 se muestran las mediciones obtenidas para el circuito recortador activo. En (A) se observa la respuesta del circuito para distintos valores del preset y como este permite fijar el nivel del recorte. Se observa como la seal de salida sigue el semiciclo positivo de la entrada. En (B) se muestra la respuesta del circuito para altas frecuencias. Nuevamente puede observarse el efecto del slew rate que disminuye la ganancia y distorsiona la seal.

Figura 24: Circuito recortador activo. A) Respuesta del circuito para distintos valores del preset. B) Respuesta a altas frecuencias.

Es importante destacar que el uso del amplificador operacional permite eliminar el efecto de la tensin de umbral del diodo que se tendra en un recortador pasivo. Esto se debe a que la tensin necesaria para polarizar el diodo en directa se obtiene a partir de una tensin diferencial entre los terminales del dispositivo, por lo que la tensin de umbral se ve reducida en un factor 1/A. De esta manera, el recortador activo (as como el enclavador) pueden ser utilizados con seales de entrada de pequea amplitud, hasta del orden de los milivoltios. 7) Circuitos enclavadores activos: En la figura 25 se observan los resultados obtenidos para el circuito enclavador activo. Con el preset fijo se realizaron mediciones para distintas amplitudes de la seal de entrada: 6,7 Vpp, 11,4 Vpp y 20,4 Vpp respectivamente. Puede observarse como la seal de salida est fijada a un nivel mnimo de 0V y adems se observa como el nivel medio de la oscilacin corresponde al valor de pico de la seal de entrada en cada caso (excepto cuando el dispositivo se encuentra saturado). Experimentalmente se observ que el nivel mnimo de la seal de salida poda ser

0 1000 2000 3000 4000 5000-9-8-7-6-5-4-3-2-1012345678

0 1000 2000 3000 4000 5000-9-8-7-6-5-4-3-2-1012345678

(B) Entrada (7 Vpp, 1 kHz) Salida 1 Salida 2

V (

V)

t (ms)

(A) Entrada (7 Vpp, 186 kHz) Salida

V (

V)

t (ms)


13

modificado variando el preset o aadiendo una tensin de offset a la seal de entrada.

Figura 25: Circuito enclavador activo. Se observa el nivel mnimo fijo en 0 V. La amplitud media de cada oscilacin se corresponde con el valor de pico de la seal de entrada respectiva.

Nuevamente, este circuito reduce drsticamente la tensin de umbral del diodo, por lo que su uso es conveniente si se desean estudiar seales de baja amplitud. 8) Comparadores:

Figura 26: Comparador simple utilizando un amplificador 741. Se observa que una pequea variacin en la seal de entrada es suficiente para disparar la salida a un valor lmite dado por las fuentes de alimentacin.

La figura 26 muestra la respuesta del circuito comparador 741 ante una seal de entrada sinusoidal. Claramente, una pequea variacin en la entrada diferencial satura al dispositivo y se tiene un valor lmite en la

salida del circuito fijado por los valores de alimentacin del amplificador operacional. Esto se debe a la alta ganancia que presentan los amplificadores operacionales en lazo abierto (del orden de 100000) respecto a la diferencia de tensin entre sus terminales. Posteriormente se estudi la respuesta de un amplificador 311 en el mismo tipo de circuito y con idntica seal de entrada. Los resultados obtenidos se presentan en la figura 27. En (A) se observa la seal a la salida del circuito, donde puede observarse que a grandes rasgos, el comportamiento es idntico al del 741. Sin embargo, como se muestra en (B), este amplificador presenta un tiempo de respuesta de 10 s hasta alcanzar el valor mnimo de referencia. Adems se ve como en el transitorio se presentan amplias oscilaciones de la seal. Estas resultan poco deseables en este tipo de circuitos ya que si lo que se busca es tener un comparador de un nivel de referencia, durante el periodo de oscilacin el circuito resulta prcticamente intil. Esto empeora adems debido a la gran amplitud de las oscilaciones (que incluso hacen que la seal de salida alcance valores menores al de referencia).

Figura 27: Comparador simple utilizando un amplificador 311. A) Salida del circuito para una seal de entrada sinusoidal. B) Presencia de oscilaciones en los puntos de conmutacin. El tiempo de respuesta es de 10 s.

9) Schmitt trigger:

0 2000 4000

0

5

10

V (

V)

t (ms)

Salida 1 Salida 2 Salida 3

0 500 1000 1500 2000 2500

-10

-5

0

5

10

15

V (

V)

t (ms)

Entrada Salida

0 1000 2000 3000 4000 5000-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14 Entrada Salida

V (

V)

t (ms)

(B)

Salida

V (

V)

t (ms)

(A)


14

En la figura 28 se muestran los resultados obtenidos para el Schmitt trigger con la terminal 1 a tierra. En (A) se observa la entrada sinusoidal aplicada y la salida del circuito. Puede verse como la salida se mantiene en un cierto valor hasta que la entrada alcanza un valor de referencia, momento en el cual la seal de salida conmuta. En (B) se observa la histresis del circuito. Para los valores de los componentes utilizados se tiene un valor de realimentacin, B 0,1.

Figura 28: Schmitt trigger. A) Entrada sinusoidal aplicada. La salida conmuta ante una variacin asimtrica en la entrada. B) Histresis del circuito. Se observan los valores de las tensiones de referencia (aproximadamente 0 V y 1 V).

De la figura puede verse que el valor superior de tensin de conmutacin esta aproximadamente en 11V, lo cual, multiplicado por la realimentacin, da una tensin de referencia positiva cercana a 1V. Para la tensin de referencia negativa se observa que la tensin de conmutacin inferior es prcticamente cero, lo cual se ve reflejado en la curva de histresis. La asimetra en las tensiones de referencia se debe a la que se tiene en la alimentacin de los terminales del amplificador operacional. Experimentalmente se observ que el disparo del circuito se interrumpa cuando la amplitud de la seal de entrada disminua respecto de un valor crtico. Este valor se midi en 2 Vpp. Esto se debe a que para

dicha amplitud, la seal no puede superar la tensin de referencia necesaria para hacer conmutar la salida del comparador. En la figura 29 se muestra la salida del circuito al reconectar la terminal 1 de alimentacin a -12 V. Al hacer simtricas las fuentes, se tiene que las tensiones de referencia del circuito son iguales y opuestas en signo, con lo que la seal de salida resulta simtrica. Esto puede observarse en la parte (A) de la figura.

Figura 29: Schmitt trigger con alimentacin simtrica. A) Entrada sinusoidal aplicada. La salida del circuito es ahora simtrica. B) Histresis del circuito. La curva se encuentra centrada dado que las tensiones de referencia coinciden en modulo.

En (B) se observa la histresis del circuito. En este caso la curva esta centrada alrededor del cero y los valores extremos que se alcanzan (tensiones de referencia) son iguales a aproximadamente 11 V. El uso de este dispositivo permite eliminar posibles problemas introducidos por ruido en la seal de entrada ya que la conmutacin del circuito no se da en forma brusca como se tiene en un comparador simple. Por supuesto, es necesario para esto que la tensin de ruido pico a pico sea menor que la histresis del circuito.

0 1000 2000 3000 4000 5000-2

0

2

4

6

8

10

12

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0

0

2

4

6

8

10

12

(B) Entrada Salida

V (

V)

t (ms)

(A)

Sal

ida

(V)

Entrada (Volts)

0 500 1000 1500 2000 2500-15

-10

-5

0

5

10

15

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5-15

-10

-5

0

5

10

15(B)

Entrada Salida

V (

V)

t (ms)

(A)

Sal

ida

(V)

Entrada (V)


15

4 CONCLUSIONES

Se estudiaron los dispositivos conocidos como amplificadores operacionales. En principio se analiz la ganancia, hallndose que esta presenta valores elevados, tpicamente del orden de 100000 (acorde a las referencias consultadas). De esta forma, los amplificadores operacionales a lazo abierto no resultan tiles como amplificadores ya que una pequea variacin en la tensin de entrada dispara la salida del circuito en forma brusca a la tensin de saturacin correspondiente (positiva o negativa). Luego se vio como por medio del uso de realimentacin de seal, resulta posible controlar la ganancia. Se estudi un amplificador inversor de ganancia 10 y se hall que este responda correctamente hasta frecuencias de aproximadamente 60 kHz (a partir de la cual se perda ganancia y se distorsionaba la seal). Tambin se encontr que el valor de esta frecuencia de corte dependa de la amplitud de la seal de entrada. Por ltimo se midieron las impedancias del circuito, hallndose que la impedancia de entrada del amplificador inversor puede ser fcilmente controlada por medio de la resistencia de entrada que se conecta en serie. Esto dio una corroboracin experimental de las aproximaciones realizadas: la tensin diferencial de entrada es nula cuando el dispositivo no se encuentra saturado. La impedancia de salida del circuito result ser muy pequea. Posteriormente se estudi otro tipo de circuito amplificador, en este caso no inversor, de ganancia 11. Se hall para esta configuracin que la impedancia de entrada ya no resultaba baja como en el caso del inversor, sino que se midi un valor de aproximadamente 0,8 M. A partir de este circuito, ajustando los valores de las

resistencias de realimentacin se obtuvo un circuito seguidor. Este circuito, dadas las caractersticas previamente analizadas presentaba una impedancia de entrada cercana a 0,9M, una impedancia de salida muy pequea y una frecuencia mxima de funcionamiento a partir de la cual la seal se vea distorsionada. Para visualizar las limitaciones del amplificador operacional que causaban los comportamientos observados en los circuitos amplificadores, se estudi en principio la velocidad de respuesta o slew rate de dos tipos de amplificadores, un 741 y un 355. Para el primero se hall un valor de slew rate de (0.800.01)V/ s mientras que para el segundo el valor medido fue de (9.490.02) V/ s. Estos valores resultaron ser compatibles con las frecuencias mximas de correcto funcionamiento medidas para una seal de entrada sinusoidal. El slew rate es el motivo por el cual la seal de salida se ve distorsionada a partir de una dada frecuencia para la cual la pendiente de la onda de entrada es mayor que la mxima velocidad de respuesta del circuito. A continuacin se midieron los valores de tensin de offset y corriente de polarizacin de entrada para un 741, hallndose valores respectivos de 0,6 mV y 0,04 A. Estos resultados resultaron acordes a las especificaciones tpicas de estos dispositivos. La tensin de offset puede introducir efectos de salida no deseados si se quiere seguir una seal; para compensar esto se analiz cualitativamente el uso de redes de ajuste de offset que permiten fijar este valor prcticamente en cero. A continuacin se estudiaron aplicaciones de los amplificadores operacionales en circuitos discretos. Se comenz estudiando un circuito recortador activo, hallndose que esta configuracin funcionaba correctamente dentro de las limitaciones del 741. La ventaja fundamental que introduce el amplificador operacional es la disminucin de la tensin de umbral de conduccin del diodo, lo cual


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permite tener un recortador que opera inclusive para seales de entrada de baja amplitud. El uso de un preset en la entrada no inversora permite fijar el nivel de recorte. Posteriormente se estudi un circuito enclavador activo. Se observ como la seal de salida se hallaba desplazada (en este caso positivamente) a un valor relacionado con la tensin de pico de la seal de entrada. Nuevamente, el uso de un preset permita fijar el nivel mnimo de la seal. Luego se analizaron los circuitos comparadores. A partir de lo visto inicialmente para la respuesta de un amplificador operacional en lazo abierto, se obtuvo un circuito que conmutaba a una tensin de saturacin a la salida ante una pequea variacin en la seal de entrada respecto de una dada referencia. Este comportamiento se analiz para un 741 y un 311, el cual presentaba fuertes oscilaciones en los puntos de conmutacin. Esto mostr que los circuitos comparadores simples resultan muy sensibles a cualquier posible ruido en la seal de entrada. Para solucionar esta limitacin se estudio el circuito conocido como Schmitt trigger, que presenta una realimentacin positiva. Estos circuitos poseen una histresis en la salida que hace que la presencia de ruido no produzca falsos disparos (siempre que el pico a pico del ruido no supere la histresis del circuito). Adems se vio que las tensiones de referencia del circuito pueden ser simtricas o no dependiendo de la alimentacin que se use sobre el amplificador operacional.

5 REFERENCIAS

[1] A.P. Malvino, "Principios de electrnica", Ed. Mc Graw Hill, 5 ed. (1993).

Amplificadores operacionales

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