EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL CARACTERÍSTICAS

I. OBJETIVOS

Comparar los resultados de prueba de un amplificador operacional 741 con sus principales características

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

El amplificador diferencial realizado con BJT tiene cierto número de inconvenientes. El primero es que la ganancia y la impedancia de entrada son demasiado pequeñas y la impedancia de salida demasiado grande. Además, hay otras muchas ca rac te r í s t i cas secundarias que también convendría mejorar. En esta experiencia, examinaremos un amplificador operacional disponible en el mercado y veremos si ofrece las características que queremos. Hemos elegido el amplificador operacional 741, un amplificador "de batalla", incluido en la biblioteca eval.slb de PSpice.

Características del 741

• Tensión de offset de entrada lmV

• Tensiones máxima/mínima de salida

14V (alimentación de l 5V)

• Ganancia de tensión en bucle abierto

200 000 (106dB)

• Corriente de polarización de entrada

80nA

• Corriente de offset de entrada 20nA

• Corriente de salida en cortocircuito 25mA

• Impedancia de entrada 2MΩ

• Impedancia de salida 75Ω

•CMRR 90dB (30 000)

• Siew rate (velocidad de salida) 0,5V/µs

• Frecuencia de corte 10 Hz

• Caída de frecuencia 20dB/Dec

• Producto ganancia-ancho de banda lMHz

Tabla 4.1. Características del amplificador operacional 741

PRACTICA DE SIMULACIÓN

Actividad ampop

La actividad ampop utiliza el circuito de la figura 4.1. Para probar las características del amplificador 741.

U 1

u A 7 4 1

+3

-2

V +7

V -4

O U T6

O S 11

O S 25

V +

+1 5 V d c

-V

-1 5 V d c

R c a rg a1 0 k

V n i

F R E Q = 0V A M P L = 0V O F F = 0

V i

F R E Q = 0V A M P L = 0V O F F = 0

0

0

0

0 0

Figura 4.1. Circuito de prueba del amplificador operacional

1. Cree el proyecto especificación en el esquemático AMPOP.2. Dibuje el circuito de pruebas mostrado en la figura 4.13. Defina los siguientes perfiles de simulación:

- Un barrido en continua (DCSweep) de Vni desde -200µV a +200µV con un paso de 0.1µV

- Un análisis transitorio (0 a 2ms), con tamaño máximo de paso de 0.2µs.

- Un barrido en alterna (AC Sweep) de Vni desde 1Hz a 1GHz, con 100 puntos/década.

Tensión offset de entrada

Tensión en alguna de las entradas que hace que Vout se haga cero.4. Realice un barrido en continua y obtenga las curvas VOUT mostradas

en la figura 4.2, determine VOFF, el valor de Vni que hace que VOUT sea cero. Compare sus resultados con la hoja de características de la tabla 4.1.

V OFF=−19.3uV

Figura 4.2. Curvas de barrido en continua

Valores máximos/mínimo de VOUT

Máxima y minima tensión de salida permitida para una tensión determinada de la fuente (15V en nuestro caso), también se denominan tensiones de alimentación.

5. Utilizando los resultados graficos de la figura 4.2, escriba las tensiones de alimentación.

Según PSpice:

V_Vni(µV) V(U1:OUT)-200 -14.68200 14.68

Según valores especificados:

V_Vni(µV) V-200 -14200 14

Ganancia de tensión en bucle abierto

Ganancia de tensión en diferencial en continua, sin realimentación.

6. Midiendo la pendiente de la curva de entrada/salida de la figura 4.2 anote a continuación la ganancia de tensión a bucle abierto (ΔVOUT/ΔVIN).

La salida del A. O. será la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000(que se considerará infinito en cálculos con el componente ideal).

ABA (Pspice )=399693.33

7. Para el modo de análisis de DCSweep

a) ¿es esta la ganancia en continua o de baja frecuencia?

b) ¿es necesariamente valido este valor de la ganancia para altas frecuencias?

Corriente de salida en cortocircuito.

Corriente de salida cuando se cortocircuito VOUT

8. Volviendo a la figura 4.1 cortocircuite la salida a masa (fije el valor de Rcarga a un valor muy pequeño) y obtenga un diagrama de la corriente de salida (I(Rcarga)), utilizando los métodos de barrido del paso 2. La corriente de cortocircuito es el valor máximo de la corriente. Cuando termine vuelva a asignar el valor de 10k a Rcarga.

ICORTOCIRCUITADA ( PSPICE )=40.45mA

ICORTOCIRCUITADA ( Especificada )=25mA

Corriente de polarización de entrada

Valor medio de las corrientes de entrada (Vni y Vi) conectadas a tierra.

9. Empleando técnicas de análisis de punto de polarización (comente la polarización), determine (I(Vni) e I(Vi)), y utilice la ecuación siguiente para calcular la corriente de polarización de entrada. (asegúrese de que DC es igual a cero para ambas entradas).

IPOLARIZACION ( PSpice )=I (Vni)+ I (Vi)

2=79.74nA

IPOLARIZACION (especificada )=80nA

Corriente de offset de entrada

La diferencia entre las corrientes de polarización de entrada.

10.Utilizando los datos del paso 9, determine la corriente de offset de entrada

IPOLARIZACION ( PSpice )=I (Vni )−I (Vi)=¿

Impedancia de entrada

La resistencia total entre las dos entradas.

11.Fije el atributo VAMPL de Vni a 1mV y FREQ a 10kHz (deje Vi conectada a masa). Utilizando un análisis a modo transitorio mida I(Vni) y determine ZNI utilizando la ley de ohm (sugerencia: utilice el valor pico a pico para eliminar la influencia de la corriente offset en continua).

Z¿ (especificado )=2MΩ

Z¿ (PSpice )=0.127MΩ

Impedancia de salida

Impedancia vista desde los terminales de salida.

12.Utilizando el análisis transitorio del paso 11, genere un diagrama de VOUT

carga, (por ejemplo Rcarga = 100Ω y 100MΩ). utilice las operaciones algebraicas para determinar ZOUT.

ZOUT ( especificado )=75Ω

ZOUT ( PSpice )=r 0

1+βA

Siendo: β=0

ZOUT ( PSpice )=r0=75Ω

Tasa de rechazo en modo común (CMRR).

Ganancia diferencial en bucle abierto (AMD) dividida por la ganancia en modo común (AMC).

13.Configure la entrada para modo común (cortocircuite ambas entradas a Vni). Realice un análisis en modo DCSweep entre -5V y 5V, visualice VOUT

y determine AMC. (sugerencia: AMC es la pendiente de la curva de salida).

AMC (PSpice )=V OUT

V ¿=2.93

14.Utilice datos recopilados de los pasos 6 a 13 para determinar el CMRR

CMRR (especificado )=90dB (30.00 )

CMRR=ABA

AMC

=40402.93

=1378.8

15.Sustituya VSIN (Vni) por VPULSE y configure la entrada a modo diferencial (Figura 4.1). Defina VPULSE como un escalon de tiempo de subida rápido, de 0 a 0.1V y ejecute un análisis transitorio de 0 a 50µs. (1ps proporcionara un tiempo de subida suficientemente rápido)

16.Genere la gráfica de VOUT (hasta 50µs) y determine su slew rate (su pendiente) en voltios/segundo.

Slewrate (especificado )=0.5 Vμs

Slewrate ( PSpice )=d V OUT

dt=0.56 V

µs

17.Cree que ese valor de slew rate producirá distorsiones en la señal de salida a altas frecuencias?

Si

No

Respuesta en frecuencia

La ganancia influye de infrecuencia(diagrama de bode).

18.Configure el atributo AC de Vni con el valor de 50µV( puede utilizar V-PULSE o VSIN y deje Vi conectada a masa. Realice un análisis AC Sweep logarítmico de 1Hz a 10MHz y genere la grafica de la figura 4.3. responda a lo siguiente:

Figura 4.3. Diagrama de bode a bucle abierto

a) ¿Cual es la frecuencia de corte?

Según los datos obtenidos de la gráfica:

f c=f 1Adc

con f 1=10MHz

f c=9.99Hz

b) ¿Cuál es la pendiente de caída?

Según nuestra gráfica:

pendientede caida ( PSpice )=21.55dB

pendientede caida (especificada )=20dB

c) ¿Cuál es el producto Ganancia-Ancho de banda?

Ganancia−anchode banda (PSpice )=0.985MHz

Ganancia−anchode banda (especificado )=1MHz

19.Elija varios puntos de la curva (bastante mas alla del punto de corte) y determinar Axf (producto de la ganacia por la frecuencia). ¿Qué generalización puede hacer de estos valores (el mismo producto ganancia-ancho de banda obtenido en en el paso 18c)?

Actividades avanzadas

20.Repita alguno, o algunos de los pasos de análisis de características para el amplificador operacional LM324. Compare y resuma los resultados que obtenga.

La curva obtenida y el valor de VOFF, el valor de Vni que hace que VOUT sea cero.

V OFF=392.6µV

Siendo sus valores máximos y minimos, según los resultados obtenidos de la grafica serán:

V_Vni(µV) V(U1:OUT)-200 -14.897 V200 736.33 mV

Características especiales

Trabajando en la zona lineal, el rango de tensión de entrada en modo

común incluye masa. Y la tensión de salida también puede aproximarse

a masa, incluso cuando se trabaja con alimentación simple.

La ganancia de frecuencia unitaria está compensada con la temperatura.

La intensidad de polarización de entrada (Input bias current) está

también compensada con la temperatura

Ventajas

Se elimina la necesidad de fuentes de alimentación dobles.

Cuatro amplificadores operacionales en un solo componente.

Permite entradas cercanas a GND (masa) y la tensión de salida también

llega GND.

Bajo consumo de energia, apropiado para funcionar a baterías.

Características

Internamente compensado en frecuencia para ganancia unidad

Alta ganancia en DC (100 dB)

Gran ancho de banda (ganacia unidad) 1MHz (compensada con la

temperatura)

Alto rango de alimentación:o Alimentación simple: entre 3V y 32V

o Alimentación doble: entre +/- 1,5V y +/- 16V

Consumo de corriente muy bajo (700 µA) independiente de la

alimentación

Muy baja corriente de polarización de entrada (45 nA) (compensado con

la temperatura)

Bajo offset de voltaje de entrada (2mV) y offset de corriente (5 nA)

El rango de voltaje de entrada en modo común incluye masa.

El rango de voltaje diferencial en la entrada es igual al voltaje de

alimentación.

Excursión máxima del voltaje de salida: desde 0V hasta V+ - 1,5V

21.A partir de los pasos 15 – 17, suponga que tenemos una señal de salida de 10V para un amplificador operacional 741. Teóricamente ¿Cuál es la mayor frecuencia posible sin que aparezca distorsión debida a la slew rate?

22.