U.N.S.A.Facultad Producción y servicios

Escuela profesional Ingeniería Eléctrica

LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS 1

Laboratorio 10

INTEGRANTES:

Barreda Zegarra, Gabriel Gonzalo

CUI: 20071752

Salcedo Quispe, Elizabeth Daniela

CUI: 20082903

Arequipa, 24 de julio de 2013

LABORATORIO 10

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

I. OBJETIVO:

Estudio del funcionamiento del amplificador operacional y sus configuraciones típicas. Reconoce las principales configuraciones con Opamps. Configuraciones típicas que son como amplificador

II. ELEMENTOS A UTILIZAR:

Osciloscopio Multímetro Módulo global, Generador de señales Amplificador Operacional LM741 Condensador de 0.1μF Resistencia de 1KΩ, 10 KΩ, 50KΩ, 100KΩ Potenciómetro de 10KΩ

III. PROCEDIMIENTO III.1.Amplificador inversor

Armar el circuito de la figura :

Vs es una señal senoidal a una frecuencia de 1KHz. Medir la ganancia del circuito (voltaje de salida/voltaje de entrada) Completar la siguiente tabla.

Vs Vo200mV 1.01V500mV 2.51V800mV 4.01V1V 5.01V1.5V 7.51V2.5V 12.5V3V 14.1V3.5V 14.1V4.5V 14.1V

3.2. Amplificador sumador no inversor Armar el circuito de la figura:

V1 y V2 son señales que serán generadas con la fuente de DC Exprese VO en función de V1 y V2:

V= (..........)V1 + (..........)V2 Variando el valor de las fuentes visualice el valor amplificado de señal. y anote los valores obtenidos.

V1 V2 Vo200mV 200mV 1.48V200mV 500mV 2.58V500mV 800mV 4.78V500mV 1V 5.52V1V 1V 7.35V1V 1.5V 9.18V2V 2V 14.1V2V 3V 14.1V3V 4V 14.1V

Se requiere que VO sea = V1 + V2 ¿Cuál debe ser los nuevos valores de R3 y RF en KΩ para que se cumpla esta nueva condición?

3.3. Amplificador integrador Arme el siguiente circuito.

Aplique la siguiente forma de onda: la amplitud de VS es de 1VP.

Determine la expresión para VO Dibuje la onda de entrada VS y de salida VO. Comente los resultados

IV. CUESTIONARIO:

1. Determinar la ganancia teórica del amplificador inversor, comparar con la experimental. La ganancia para el amplificador inversor está dada por la siguiente ecuación:

VoVi

=−R2R1

Donde en nuestra gráfica del amplificador R1=10KΩ y R2=50KΩ entonces teóricamente la ganancia es:VoVi

=−50KΩ10KΩ

=−5

De la tabla la ganancia es:Vs Vo Vo/Vs200mV 1.01V 5.05500mV 2.51V 5.02800mV 4.01V 5.01251V 5.01V 5.011.5V 7.51V 5.00672.5V 12.5V 53V 14.1V 4.73.5V 14.1V 4.0284.5V 14.1V 3.13

2. ¿Cómo funciona y cuáles son las aplicaciones del 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 R 1, con realimentación desde la salida a través de R2.

Aplicando las propiedades anteriormente establecidas del AO ideal, las características distintivas de este circuito se pueden analizar cómo sigue.

Puesto que el amplificador tiene ganancia infinita, desarrollará su tensión de salida, V0, con tensión de entrada nula. Ya que, la entrada diferencial de A es:

Vd = Vp - Vn ==> Vd = 0 y si Vd = 0,

Entonces toda la tensión de entrada Vi, deberá aparecer en R1, obteniendo una corriente en R1

I= ViR1

Vn está a un potencial cero, es un punto de tierra virtual

Toda la corriente I que circula por R1 pasará por R2, puesto que no se derivará ninguna corriente hacia la entrada del operacional (Impedancia infinita), así pues el producto de I por R2 será igual a - V0

I=−VoR2

ViR1

=−VoR2

Por lo que: Vo=−R2R1

Vi

Luego la ganancia del amplificador inversor: VoVi

=−R2R1

Deben observarse otras propiedades adicionales del amplificador inversor ideal. La ganancia se puede variar ajustando bien R1, o bien R2. Si R2 varía desde cero hasta infinito, la ganancia variará también desde cero hasta infinito, puesto que es directamente proporcional a R2. La impedancia de entrada es igual a R1, y Vi y R1 únicamente determinan la corriente I, por lo que la corriente que circula por R2 es siempre I, para cualquier valor de dicha R2.

La entra del amplificador, o el punto de conexión de la entrada y las señales de realimentación, es un nudo de tensión nula, independientemente de la corriente I. Luego, esta conexión es un punto de tierra virtual, un punto en el que siempre habrá el mismo potencial que en la entrada (+). Por tanto, este punto en el que se suman las señales de salida y entrada, se conoce también como nudo suma. Esta última característica conduce al tercer axioma básico de los amplificadores operacionales, el cual se aplica a la operación en bucle cerrado:

En bucle cerrado, la entrada (-) será regulada al potencial de entrada (+) o de referencia. Esta propiedad puede aún ser o no ser obvia, a partir de la teoría de tensión de entrada de diferencial nula. Es, sin embargo, muy útil para entender el circuito del AO, ver la entrada (+) como un terminal de referencia, el cual controlará el nivel que ambas entradas asumen. Luego esta tensión puede ser masa (como en la figura 2), o cualquier potencial que se desee.

3. ¿Cómo funciona y cuáles son las aplicaciones del amplificador sumador no inversor?Un opamp sumador no inversor tiene múltiples entradas en el pin no inversor. Al igual que en un sumador inversor cada entrada tiene su propia impedancia de entrada que esta por el orden de 100 MΩ o mas y como hay un solo Vo, pues solo hay una impedancia de salida que esta por el orden de mΩ o menos.

Para hallar el peso de una entrada específica, es necesario realizar superposición. Lo que nos importa es hallar el voltaje en el pin no inversor que genera la entrada evaluada, luego de esto se puede inducir una expresión general. Al observar el segundo grafico se observa que el voltaje en el pin no inversor es igual al divisor de voltaje entre el paralelo entre R1y el paralelo de todas las resistencias de las demás entradas excluyendo a R1, este paralelo se denominara Rp-j y R1 será denominado como Rj, para generalizar para cualquiera de las entradas. El voltaje que induce la entrada j en el pin no inversor está dado por la siguiente ecuación:

Esta expresión se puede reducir aún más multiplicando el denominador y numerador por Rj:

Donde Rp es el paralelo de todas las resistencias de todas las señales de entrada incluyendo ahora también a Rj. La anterior ecuación es un factor que multiplica la ganancia de un Opamp no inversor, dando como resultado el peso de la entrada j en la salida, y finalmente la ecuación de vo, ya incluyendo el peso de todas las entradas está dado por:

Esta expresión al ser multiplicada por RF en el numerador y denominador queda de la siguiente manera:

Y como el paralelo entre RF y Ra es la misma R-, entonces lo reemplazamos el paralelo por R-:

Ahora como Rp es el paralelo entre todas las resistencias de entrada, cuando se han apagado todas las señales de entrada, entonces se ve que el Rp es el mismo R+. Para balancear el circuito es necesario que R- se igual a R+. Por lo tanto la ecuación anterior queda de la siguiente manera:

Y ahora como R+ es igual a R- la ecuación finalmente queda:

Se puede observar el efecto de balancear el circuito en la señal de salida. La expresión anterior es idéntica a la ecuación de un sumador inversor con la diferencia del signo. Esto también muestra que la ganancia en un sumador puede ser perfectamente menor que uno. En el balanceo del circuito se pueden presentar dos casos, el primero es el caso en el que Rp sea mayor que RF, esto se da cuando se piden ganancias muy pequeñas, el otro caso es el contrario, es decir, cuando RF es mayor que Rp. Para el primer caso es necesario agregar una resistencia del pin no inversor a tierra, esta resistencia se denominara Rx y seleccionar algún valor adecuado para Ra, para el segundo caso basta con dar el valor correcto a Ra. La ecuación para Rx y Ra se muestran a continuación:

4. ¿Cómo funciona y cuáles son las aplicaciones del amplificador integrador? Se ha visto que ambas configuraciones básicas del AO actúan para mantener constantemente la corriente de realimentación, IF igual a IIN.

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.

Como ocurría en el amplificador inversor, V(-) = 0, puesto que V(+) = 0, y por tener impedancia infinita toda la corriente de entrada Iin pasa hacia el condensador CF, llamaremos a esta corriente IF.

El elemento realimentador en el integrador es el condensador CF. Por consiguiente, la corriente constante IF, en CF da lugar a una rampa lineal de tensión. La tensión de salida es, por tanto, la integral de la corriente de entrada, que es forzada a cargar CF por el lazo de realimentación.

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

Por supuesto la rampa dependerá de los valores de la señal de entrada, de la resistencia y del condensador.

5. Realizar en un software las simulaciones para cada caso, hacer los comentarios. Para el amplificador inversor:

La grafica que resulta en el osciloscopio es el siguiente:

Para el amplificador sumador no inversor

Para el amplificador integrador.

6. Comparar resultados teóricos, simulación y prácticos o experimentales. Determinar el error absoluto y error relativo.

7. Explicar el funcionamiento básico del amplificador operacional y de cada uno de los circuitos armados.

Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O., op-amp u OPAM), es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):Vout = G (V+ − V−) el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741.

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.

Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.

El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.

El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:

Los terminales son:

V+: entrada no inversora V-: entrada inversora VOUT: salida VS+: alimentación positiva VS-: alimentación negativa

Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE.

Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad.

Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, pero uno habitual es:

1. Comprobar si tiene realimentación negativa2. Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado anterior3. Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito4. Aplicar el método de los nodos en todos los nodos del circuito excepto en los de salida de los

amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente que sale de ellos)5. Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión en los nodos

donde no se conozca.

8. Indicar las características que se incluyen en las hojas de datos del amplificador operacional. La serie LM741 son amplificadores operacionales de propósito general que ofrecen un mejor rendimiento frente a los estándares industriales, como el LM709. El LM741 es el remplazo directo de los CIs: 709C, LM201, MC1439 y 748 en la mayoría de las aplicaciones. Los amplificadores ofrecen muchas características que hacen que su utilización sea casi infalible: Protección de sobrecarga en la entrada y la salida, su salida no queda con tensión cuando se excede el rango en modo común, ausencia de oscilaciones.

Los LM741C/LM741E son idénticos a los LM741/LM741A salvo que el LM741C/LM741E tienen su funcionamiento garantizado en un rango de temperaturas de entre 0 ºC a +70 ºC, en lugar de -55 ºC a +125 ºC.

El diagrama de conexión seria:

V. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:

El dispositivo establece sus valores de ganancia de voltaje a través de los elementos resistores conectados a él, independientemente de las condiciones ambientales en las que este se encuentre operando.

El error o incertidumbre obtenidos por el amplificador operacional está determinado por el error o defectos en su fabricación.

En cuanto sea mayor la cantidad de voltaje suministrada al amplificador operacional mayor será la incertidumbre obtenida.

El amplificador establece una ganancia de voltaje en el tiempo cuando comienza a operar, adquiriendo esa ganancia de forma intrínseca de los dispositivos, resistivos y capacitivos, conectados a él.

La incertidumbre obtenida de los elementos resistivos afecta directamente al amplificador operacional. Las tablas muestran que en una configuración la integrador al aplicarle una frecuencia constate e ir

variando el voltaje de entrada el voltaje de salida varia con respecto a la forma de onda que se le aplique, mientras que cuando se le aplica un voltaje es contante y la frecuencia en la variable del sistema que se irá variando la frecuencia de salida del sistema será directamente proporcional a la frecuencia de entrada del circuito.

Para poder hacer la mediciones de una manera precisa y exacta se tiene que calcular primero el índice de error de cada elemento que se esté utilizando ya que los elementos y mediciones ideales en la vida

práctica no existen por lo cual se tienen que calibrar de tal modo que se pueda compensar el índice de error haciéndolo lo más preciso posible dándole un sensibilidad alta a los parámetros pero no una sensibilidad tan aguda a los errores de calibración de cada elemento.