FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

INFORME DEL LABORATORIO DE MEDIDAS ELECTRICAS

L–5 “AMPLIFICADOR OPERACIONAL”

Alumnos:

NOMBRE Y APELLIDO SECCION CODIGOCHAVEZ FRANCIA WILLIAM B 20112056JGARCIA ORELLANA JORGE A 20124051KDEL MAR RODRIGUEZ BRIAN A 20120143HALMIDON MALPARTIDA CHRISTIAM A 20120117G

Profesor:

Ing. GUADALUPE GOÑAS EDGAR

2015-I

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

ÍNDICE

Índice Pág. 01

Introducción Pág. 02

Objetivos Pág. 02

Fundamento Teórico Pág. 02

Instrumentos Y Materiales Pág. 09

Procedimiento Pág. 11

Cálculos y Resultados Pág. 15

Conclusiones, Recomendaciones y observaciones Pág. 20

Bibliografía Pág. 21

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Experiencia N°5: “AMPLIFICADOR OPERACIONAL”

INTRODUCCIÓN

Muchas aplicaciones de circuitos requieren un sistema de filtrado para proteger los circuitos integrados en el sistema.

El problema general de los ruidos puede examinarse en términos de la eficiencia y la economía. Los sistemas eléctricos se diseñan para llevar la potencia a la carga con la mayor eficiencia, Por ello, es necesario tener un sistema de filtrado.

Al realizar una medida es mejor realizar una amplificación para disminuir el error y este sistema nos ayudaría también en mediciones pequeñas.

En el presente trabajo desarrollaremos como funciona un operador amplificador OP AMP de uA741 que en el mercado eléctrico es común encontrarse con este amplificador, también esta las características y formas de uso de este amplificador.

I. OBJETIVOS:

Familiarizar al estudiante con las características básicas de los amplificadores operacionales.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO:

Amplificador operacional

Se trata de un dispositivo electrónico 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.

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

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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.

Notación

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

Tabla de Características Ideales y Reales

Circuito equivalente de un amplificador operacional.

Parámetro Valor ideal Valor real

Zin ∞ 10 TΩ

Zout 0 100 Ω

Bw ∞ 1 MHz

G ∞ 100.000

Ac 0

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COMPORTAMIENTO EN CORRIENTE CONTINUA (DC)

Lazo abierto

La realimentación 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). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100.000 V.

Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el A. O. estará saturado si se da este caso. Esto será aprovechado para su uso en comparadores, como se verá más adelante.

Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + (entrada no inversora) la salida será V S+, mientras que si la tensión más alta es la del pin - (entrada inversora) la salida será la alimentación VS-.

Lazo cerrado o realimentado

Se conoce como lazo cerrado a la realimentación en un circuito. Aquí aparece una realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la pata (+) sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la pata (-), la tensión en esta pata también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor.

Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones para analizar el circuito:

V+ = V- (lo que se conoce como principio del cortocircuito virtual).

I+ = I- = 0

Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, al igual que con cualquier circuito amplificador, se mejoran algunas características del mismo como una mayor impedancia en la entrada y una menor impedancia en la salida. La mayor impedancia de entrada da lugar a que la corriente de entrada sea muy pequeña y se reducen así los efectos de las perturbaciones en la señal de entrada. La menor impedancia de salida permite que el amplificador se comporte como una fuente eléctrica de mejores características. Además, la señal de salida no depende de las variaciones en la ganancia del amplificador, que suele ser muy variable, sino que depende de la ganancia de la red de realimentación, que puede ser mucho más estable con un menor coste. Asimismo, la frecuencia de corte superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda.

Asimismo, cuando se realiza realimentación positiva (conectando la salida a la entrada no inversora a través de un cuadripolo determinado) se buscan efectos muy distintos. El más aplicado es obtener un oscilador para generar señales oscilantes.

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Comportamiento en corriente alterna (AC)

En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones.

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

Comprobar si tiene realimentación negativa Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado anterior Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito 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)

Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión en los nodos donde no se conozca.

Seguidor

Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada.

Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa)

Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual:

Vout = Vin Zin = ∞

Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la de salida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado para realizar medidas de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y conexiones.

Por ejemplo, si la resistencia interna del voltímetro es Re (entrada del amplificador), la resistencia de la línea de cableado es Rl y la resistencia interna del sensor es Rg, entonces la relación entre la tensión medida por el voltímetro (Ve) y la tensión generada por el sensor (Vg) será la correspondiente a este divisor de tensión:

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Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la misma que la generada por el sensor y se podrá despreciar la caída de tensión en el sensor y el cableado.

Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será el calentamiento del sensor y del resto del circuito por efecto Joule, lo cual puede afectar a la relación entre la tensión generada por el sensor y la magnitud medida.

No inversor

Como observamos, la tensión de entrada, se aplica al pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo y positivo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.

Zin = ∞, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inversor.

Sumador inversor

La salida está invertida

Para resistencias independientes R1, R2,... Rn

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

Impedancias de entrada: Zn = Rn

Restador Inversor

Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4:

Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales

La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2 + Rin, donde Rin representa la resistencia de entrada diferencial del amplificador, ignorando las resistencias de entrada del amplificador de modo común.

Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una resistencia de entrada baja en comparación con otro tipo de restadores como por ejemplo el amplificador de instrumentación.

Integrador ideal

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

Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos

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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 condensador hasta saturarlo por completo; sin mencionar la característica de offset del mismo operacional, que también es acumulada. 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 condensador.

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.

APLICACIONES

Calculadoras analógicas Filtros Preamplificadores y buffers de audio y video Reguladores Conversores Evitar el efecto de carga Adaptadores de niveles (por ejemplo CMOS y TTL)

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III. INSTRUMENTOS Y MATERIALES:

FUENTE DE CORRIENTE CONTINUA

1 MEDIDOR DE TEMPERATURA Y HUMEDAD AMBIENTAL

1 OSCILOSCOPIO

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1 GENERADOR DE ONDAS

1 AMPLIFICADOR UA741

1 PROTOBOARD

CABLES DE CONEXION

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BANCO DE RESISTENCIAS

1 MULTIMETRO

IV. PROCEDIMIENTO

A.-Amplificador Operacional

a) Reconocer las características del circuitoμA741 : ganancia, impedancia de entrada, de salida, voltaje offset, corrientes, variación de A vrs frecuencia, etc. de acuerdo a las características del amplificador operacional.

b) Reconocer los terminales del circuito integrado.

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c) Alimentar el CI μA741 .

B.-Seguidor de Voltaje

d) Conectar el CI μA741 como seguidor de voltaje, Anular el voltaje del offset. Luego, aplicar una señal sinusoidal de 5 Vp-p, 1 kHz y observar los voltajes de entrada y salida en el osciloscopio. Anotar la ganancia y el desfasaje.

e) Aumentar la frecuencia hasta que se note una distorsión, Anotar dicha frecuencia.

f) Grafique la ganancia en decibeles (

20 log (V 0

V e )) en función de la frecuencia (log), indicando el punto de 3 dB. Compare este gráfico BODE con las características del amplificador operacional.

Impedancia de Salida

g) Utilizando el generador de funciones, escoja una frecuencia por debajo de aquella distorsión. Observe la señal sinusoidal de 1 Vp-p a través del osciloscopio. Luego coloque una carga igual a la impedancia de salida del generador entre la salida y la tierra. ¿Qué le sucede a la amplitud? ¿Por qué? Quitar luego dicha resistencia.

h) Alimentar el seguidor de voltaje con la salida del generador de funciones y observar la salida: ¡qué le sucede a la amplitud? Ahora agregue la carga mencionada en el párrafo anterior entre la salida del seguidor de voltaje y tierra. Mida su amplitud. De estas, ¿qué puede usted deducir de la impedancia de salida del seguidor de voltaje?

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Impedancia de entradai) Construir el divisor de voltaje que se muestra en la figura siguiente:

j) Mida el voltaje a través de R2 con su multímetro. ¿Por qué la lectura es menor que la mitad del voltaje aplicado? Ahora introduzca el seguidor de voltaje como se muestra en la figura. ¿Cuál es ahora la lectura de su voltímetro? ¿Qué conclusión tiene de la impedancia de entrada del seguidor de voltaje?

C.-Amplificador Inversor

k) Construir un amplificador inversor con una ganancia de 100, usando una resistencia de 100 K para RF y 1 K para R1. Con el generador de funciones a 1 kHz, a un voltaje de 1 Vp-p, conecte la señal al amplificador y observe la amplitud y fase a la salida del amplificador. Trace un gráfico BODE para esta ganancia. Reemplace luego la resistencia RF con una 10 K para reducir la ganancia a 10. observe nuevamente la amplitud y fase a la salida del amplificador. Trace un gráfico BODE para esta ganancia. ¿Qué conclusiones puede usted sacar de sus resultados?

D.-Amplificador No Inversor

l) Construir un amplificador no inversor con una ganancia de 11 usando 10 K para RF y 1 K para R1. Observe su operación. ¿Cuál es su impedancia de entrada?

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E.-Amplificador Diferencial

m) El circuito siguiente muestra un amplificador diferencial:

Amplifica solamente la diferencia de voltajes en sus entradas. Demostrar que:

V 0=R2

R1

(V 2−V 1 )

Si aparece el mismo voltaje en ambas entradas a la vez, su salida es cero, esta habilidad lo hace importante para eliminar señales de 60 Hz y ruido.

n) Construir el circuito con resistencias de 10 K para R1 y 100 K para R2. Colocar una señal sinusoidal de 0.5 V p-p en el divisor de voltaje que se muestra.

o) Conectar a la entrada 1 del amplificador al punto A y a la entrada 2 al punto B. Medir la amplitud y fase del voltaje de salida y compare con los valores teóricos.

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p) Conectar a la entrada 1 del amplificador al punto B y la entrada 2 el punto A. Medir la amplitud y fase del voltaje de salida y compare con los valores teóricos.

q) Conecte ambas entradas (1 y 2) al punto A. Mida la amplitud de salida. Esto demuestra la habilidad del amplificador diferencial (common mode rejection)

V. CÁLCULOS Y RESULTADOS

TABLAS DE DATOS

Medidas tomadas experimentalmente:

CONDIDIONES AMBIENTALES

ENTRADA

ENTRADA – SALIDA DISTORSION

DISTORSION A 30 dB

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T 22 C °HR 80 %

VP-P 5.00 Vf 1.002 KHz

VP-P 5.00 Vf 50 KHz

INVERSOR

NO INVERSOR

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F 112 KHz

VS 11.2 VR = 10 kΩ

Ve 1.18 VVs 22.4 V R = 100 kΩVe 1.20 V

VS 13.4 VVe 1.28 V

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

CUESTIONARIO

A.-Amplificador Operacional

B.-Seguidor de Voltaje

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Impedancia de Salida

a) ¿Qué le sucede a la amplitud? ¿Por qué? Quitar luego dicha resistencia.

La amplitud aumenta al aumentar una resistencia Eso se debe a que hay una ganancia

V 0=V e×(1+R2

R1)

Ganancia es igual a (1+R2

R1)

b) ¿qué puede usted deducir de la impedancia de salida del seguidor de voltaje?

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VP-P 5.00 Vf 50 KHzF 112 KHz

Según el cuadro la impedancia de entrada debe de ser cero pero como es de un caso real se asume que hay una impedancia.

Impedancia de Entrada

c) ¿Por qué la lectura es menor que la mitad del voltaje aplicado? Ahora introduzca el seguidor de voltaje como se muestra en la figura.

Eso se debe a que resistencia no tiene el valor indicado si no un valor menor debido a la eficiencia de la resistencia

¿Cuál es ahora la lectura de su voltímetro?

La lectura cambia al valor que debería de estar

¿Qué conclusión tiene de la impedancia de entrada del seguidor de voltaje?Según con el cuadro anterior se ve que la impedancia de entrada es muy alto y se considera como una impedancia infinita pero es respecto a la carga que pusimos

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C.-Amplificador Inversor

d) ¿Qué conclusiones puede usted sacar de sus resultados?

Se puede decir que hay una ganancia de acuerdo a la siguiente fórmula planteada:

V 0=V e×(1+R2

R1)

Ganancia es igual a (1+R2

R1)

Para este caso la ganancia seria de: A=(1+R2

R1)

: A=(1+ 101 )=11

Pero la señal sale invertida respecto a su voltaje de entrada

Amarillo: voltaje de entradaCeleste: voltaje de salida

D.-Amplificador No Inversor

e) ¿Cuál es su impedancia de entrada?La impedancia de entrada seria de 1 kΩ

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Amarillo: voltaje de entradaCeleste: voltaje de salida

VI. CONCLUSIONES, OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

Reconocimos cuales son las partes de un amplificador operacional uA741 La grafica BODE del amplificador está relacionada con la frecuencia que hemos hallado

en el ítem B parte f. En el circuito inversor efectivamente la señal de salida sale invertida con respecto a la

señal de entrada y en el circuito no inversor la señal sale en el mismo sentido pero ambas señales de salida salen amplificadas.

En el amplificador diferencial efectivamente se observa que la señal sale sin perturbaciones casi como un filtro.

OBSERVACIONES

En las mediciones hechas con el osciloscopio hay un error debido al equipo utilizado.

Para realizar la medición primero verificar si el circuito está bien instalada.

Es necesario tener varios amplificadores para la prueba ya que se pueden quemar.

Para operar con el operador tenemos que usar el protoboard.

RECOMENDACIONES

Verificar dos a tres veces el circuito armado ya que podría malograr el amplificador. Es recomendable pedir un voltímetro para medir la resistencia de entrada y de salida del

amplificador operacional. Al usar las resistencias verificar que soportan una potencia de 1W. Para usar el generador de ondas se debe de tener una precisión de 0.1 décimas.

VII. BIBLIOGRAFIA

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INTERNET:

http://www2.uca.es/grup-invest/instrument_electro/ppjjgdr/Cir_An_Apl/Cir_An_Apl_arch/temas/T1_caa.pdf

http://www.b-kainka.de/Daten/OPV/741.pdf

http://www.fim.umich.mx/teach/ifranco/notas/C4-Amplificadores%20operacionales%20y%20aplicaciones_E.pdf

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