1aaaaaaaa LABORATORIO #2: aaaaaaaaaaaaaaaaaAmplificadores operacionales

Rafael Felipe Forero Diaz 20101072080,aaaaaaaaa Marco Antonio Latorre Gonzalez 20092072070,aaaaaaaaaaaYerman camilo sancchez 20082072061

I. INTRODUCCION

El concepto original del AO (amplificador operacional)procede del campo de los computadores analgicos, en losque comenzaron a usarse tcnicas operacionales en una pocatan temprana como en los aos 40. El nombre de amplificadoroperacional deriva del concepto de un amplificador dc (am-plificador acoplado en continua) con una entrada diferencial yganancia extremadamente alta, cuyas caractersticas de opera-cin estaban determinadas por los elementos de realimentacinutilizados.

Cambiando los tipos y disposicin de los elementos derealimentacin, podan implementarse diferentes operacionesanalgicas; en gran medida, las caractersticas globales delcircuito estaban determinadas slo por estos elementos derealimentacin. De esta forma, el mismo amplificador eracapaz de realizar diversas operaciones, y el desarrollo gradualde los amplificadores operacionales dio lugar al nacimiento deuna nueva era en los conceptos de diseo de circuitos.

Los primeros amplificadores operacionales usaban el com-ponente bsico de su tiempo: la vlvula de vaco. El usogeneralizado de los AOs no comenz realmente hasta losaos 60, cuando empezaron a aplicarse las tcnicas de estadoslido al diseo de circuitos amplificadores operacionales,fabricndose mdulos que realizaban la circuitera interna delamplificador operacional mediante diseo discreto de estadoslido.

II. OBJETIVO GENERAL

Conocer las diferentes operaciones bsicas de los ampli-ficadores operacionales.Reconocer las principales configuraciones con los Am-plificadores Operacionales.

III. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determinar y familiarizarnos con las caractersticas de unAmplificador Operacional.Construir circuitos de instrumentacin bsicos, basadosen amplificadores operacionales.Comprobar de manera practica el funcionamiento de lasdiferentes configuraciones de los amplificadores opera-cionales.Aprender el uso bsico del Amplificador OperacionalLM741.Reconocer el voltaje de entrada, salida y la ganancia.

IV. MARCO TEORICO

El nombre de amplificador operacional proviene de una delas utilidades bsicas de este,como son la de realizar opera-cionesmatemticasen computadores analgicos(caractersticasoperativas).El amplificador operacional es un dispositivo linealde propsito general el cual tiene lacapacidad de manejo deseal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por elfabri-cante, tiene adems limites de seal que van desde el ordende los nV, hasta unasdocenas de voltio (especificacin tambindefinida por el fabricante). Los amplificadoresoperacionalesse caracterizan pro su entrada diferencial y una gananciamuy alta,generalmente mayor que 105 equivalentes a 100dB.Esquema configuracin externa

Figura 1. Amplificador Operacional

Los Terminales son:V+: Entrada no inversora.V-: Entrada InversoraVout: SalidaVs+: Alimentacin positivaVs-: Alimentacin negativa.Normalmente los pines de alimentacin son omitidos en los

diagramas elLos Terminales son: V+: Entrada no inversora.V-: Entrada

InversoraVout: SalidaVs+:AlimentacinpositivaVs-: Alimenta-cin negativa.Normalmente los pines de alimentacin sonomitidos en losdiagramaselctricos por razones de claridad

LM741

El cdigo 741, es el ms popular de los amplificadoresoperacionales y cuya caracterstica principal se indica a con-tinuacin:

Amplificacin : 200,000 Veces tpicoImpedancia de Entrada : 2 MegaOhmiosImpedancia de Salida : 75 Ohmios

2Disipacin de Potencia : 50 mW a 85 mWTensin de Alimentacin : 4 V a 18 V

LM324

El LM324 est compuesto por cuatro amplificadores opera-cionales de alta ganancia, diseados para trabajar con fuentede alimentacin simple. Sin embargo, tambin son capaces defuncionar con una fuente de alimentacin doble.

Se puede utilizar para aplicaciones tales como: Bloques deganancia DC, amplificadores y en cualquier circuito tpicocon amplificadores operacionales. Los cuales ahora son massencillos de implementar utilizando alimentacin simple. Porejemplo, el LM324 puede funcionar dirctamente a la tensinde 5V, tensin utilizada habitualmente en electrnica digital,sin necesidad de implementar otra fuente de alimentacindoble de +/- 15Vdc.

Internamente compensado en frecuencia para gananciaunidadAlta ganancia en DC (100 dB)Gran ancho de banda (ganacia unidad) 1MHz (compen-sada con la temperatura) .Alto rango de alimentacin: Alimentacin simple: entre3V y 32VAlimentacin doble: entre +/- 1,5V y +/- 16VConsumo de corriente muy bajo (700 A) independientede la alimentacinMuy baja corriente de polarizacin de entrada (45 nA)(compensado con la temperatura)Bajo offset de voltaje de entrada (2mV) y offset decorriente (5 nA)El rango de voltaje de entrada en modo comn incluyemasa.

V. MATERIALES1 Amplificador LM324, KF347, TL074 o equivalente1 Amplificador LM3393 Amplificadores ua741, TL071 o equivalentesResistencias 10K, 100K, 1M, y otros valores

VI. PROCEDIMIENTOSExperiencia 1: Amplificador No inversor

VI-A. DISEO

Figura 2. Montaje Amplificador No Inversor

VI-B. ECUACION DEL AMPLIFICADOR NO INVEROR

Para llegar a la ganancia del amplificador describiremos laecuacion

V+ = V

((V) 0

R1+

(V) V oRf

) = 0

((V)( 1R1

+1

Rf)) V o

Rf= 0

(V+) = (V) = (V 1)

((Rf)(V 1)(1

R1+

1

Rf)) = V o

Av =V o

V i= (

Rf

R1+ 1)

Para que nuestra ganancia sea de 10, como se muestra enel anexo 1 se necesita que el valor de las resistenciassean de : Rf =18K y R1=2K

VI-C. TABLA DE DATOS

Voltaje de entrada (Vi)[V ] Vout (Simulacion)[v] Vout (Montaje) [v]10 mV 0.1 V 111 mV50 mV 0.5 V 459 mV

100 mV 1 V 1V200 mV 2 V 1.9 V500 mV 5 V 4.9 V

1 V 10 V 9.98 V5 V 13 V 12.5 V

10 V 13 V 12.5 V15 V 13 V 12.5 V

Cuadro ITABLA DE DATOS DEL AMPLIFICADOR NO INVERSOR

Experiencia 2: Amplificador Diferencial

VI-D. DISEO

Figura 3. Montaje Amplificador Restador

3VI-E. ECUACION DEL AMPLIFICADOR RESTADOR

la ganancia esta dada por la siguiente formula

V+ = V

V+ = V 1 ( R2R1 +R2

)

V = V 2 + (V o V 2) ( R1R1 +R2

)

Igualamos V+=V-

V 1 ( R2R1 +R2

) = V 2 + (V o V 2) ( R1R1 +R2

)

V 1 ( R2R1 +R2

) = V 2+(V o R1R1 +R2

) (V 2 R1R1 +R2

)

(V o R1R1 +R2

) = V 1 ( R2R1 +R2

)V 2 (V 2 R1R1 +R2

)

(V o R1R1 +R2

) = V 1 ( R2R1 +R2

) V 2(1 + R1R1 +R2

)

(V o R1R1 +R2

) = (R2

R1 +R2) (V 1 V 2)

(V o = (R2

R1 +R2) (R1 +R2

R1) (V 1 V 2)

V o =R2

R1 (V 1 V 2)

Para obtener la AV=10 se tomaron los siguientes valores deresistencias R1=10k, R2=100k

Reemplazando los valores de resistencias en la ecuacion :

V o =R2

R1 (V 1 V 2)

se obtendra una ganancia de10 como se desaba durante ellaboratorio

AV =V out

(V 1 V 2) =R2R1 (V 1 V 2)

(V 1 V 2) =R2

R1

AV =100K

10K= 10

VI-E1. TABLAS DE DATOS Y SU COMPORTAMIENTO(GRAFICAMENTE):: Durante el laboratrio se obtubieron lossiguientes resultados. los cuales se mostraran en la siguientestablas.

Con los valores recolectados se podra contuir la relacion dela seales de entrada (V1,V2), respecto al salida Vo

En la (figura 4) se muesta el comportamiento de Vo, cunadoel voltaje V1 es constante y V2 se varia como se mostro enel cuadro 2,

E la (figura 5) que observaremos se ve cuando V2 esconstante y V1 variable en funcion de Vo

.V1 V2 Vout(Simulacion) [V ] Vout(Montaje) [V ]

100mV 100mV 0 0200mV 100mV -1 V -1.2500mV 500mV 0 V 0V

1V 500mV -5 V -5 V2V -14 V -13.9 V(saturacion)5V -14 V -13.9 V10V -14 V -13.9 V15V -14 V -13.9 VV1 V2 Vout(Simulacion) [V ] Vout(Montaje)[V ]

100mV 100mV 0 V 100mv 200mV 1 V -500mV 500mV 0 V 0V

1V 5 V 5 V2V 14 V 13.9 V(saturacion)5V 14 V 13.9 V10V 14 V 13.9 V15V 14 V 13.9 V.

Cuadro IITABLA DE RESULTADOS

Figura 4. Grafica Vout / (V1-V2 ) (V1 constante)

Figura 5. Grafica Vout / (V1-V2 ) (V2 constante)

4VII. ANALISIS DE RESULTADOS

VII-A. Experiencia 1:

Cuando se trabaja con voltajes de entrada muy pequeosdel orden de los mV es dificil verlos en el osciloscopio. Laexperiencia con el amplificador no inversor que se muestra enel anexo 1 nos detalla que se amplifico 10 veces la seal yque no se invirtio.

Los datos que obtuvimos en el laboratorio fueron muyparecidos con los datos teoricos simulados que se muestran enel. el amplificador no inversor alcanzo su punto de saturacionen 12.5 [V]como se ve en la siguiente figura:

Figura 6. Entrada/Salida

VII-B. Experiencia 2:

En esta experiencia se logro obsevar como al variar soloun voltaje de entrada (V1 y V2) la seal de voltaje de salidanos cambia la polaridad es decir desfasa la seal 180 en lapractico se ve perfectamente los valores conseguidos coincidencompletamente con los teoricos con pequeas variaciones enlos valores producto de diferentes valores en resistencias yruido ocasionado en sondas y elementos de medicion.

VIII. PREGUNTAS

VIII-A. Realice una comparacin entre el ua741, TL071 yel AD620. Para realizar la comparacin baje de internet lasrespectivas hojas de especificaciones y utilice criterios como:costo, Impedancia de entrada, Voffset, impedancia de salida,respuesta en frecuencia, corriente de entrada.

Caracteristicas del op.amp AD620: Al implementar unamplificador de instrumentacin con componentes discretos,es muy difcil encontrar componentes que sean del mismovalor como es el caso de las resistencias, o bien que elvoltaje de offset sea muy cercano a cero en el caso de losamplificadores operacionales. Muchos de los amplificadores deinstrumentacin durante su produccin cuentan con un controlde calidad donde se prueban las caractersticas de operacin delos amplificadores de instrumentacin. Un amplificador de altarelacin costo/desempeo, es el amplificador AD620 del cualpodemos mencionar las siguientes caractersticas generales:

La ganancia de voltaje es de 1 a 10,000La ganancia se coloca utilizando una sola resistenciaOpera con voltajes BIPOLARES de +- 2.3 a +- 18 voltsDisponible en empaquetado de 8 pinesConsumo de 1.3 mAEl desempeo en DC es excelente ya que solo tiene unmximo de 50 uV de offsetDesvo mximo de 0.6 uV/CEn AC tiene un ancho de banda de 120 Khz. con unaganancia de 100

Dentro de las aplicaciones donde se utiliza se encuentran:Instrumentacin mdicaBasculas electrnicasAmplificacin de transductoresEtc.

Caractersticas del op.amp 741: :Impedancia de entrada: 1 M.Impedancia de salida: 150 .Ganancia de tensin de lazo abierto: 110000Ancho de banda: 1 Mhz.Corriente de polarizacin: 200nATensin de alimentacin mxima: 18 VTensin mxima de entrada: 13 VTensin mxima de salida: 14 VRelacin de rechazo de modo comn RRMC: 90 dBPrecio comercial: $800

Caracateristicas del op.amp TL071: El TL071 sigue siendoun op. amp. como el 741 tambien lo es, pero el TL071 tienecaracteristicas que lo hacen mas indicado para audio.

Temperatura de funcionmiento: -55C ~ 150CEnerga de la disipacin: 4.3WTipo: Regulador de voltajeUso: ComputadoraVoltaje de fuente:18VNmero de Modelo:TL071Input Offset Voltage:13mVInput Bias Current:200pAOutput Voltage Swing:28VSupply Current (Each Amplifier):2.5mA

VIII-B. Explique clara y brevemente qu significa la satura-cin.

Un amplificador operacional tpico no puede suministrarms de la tensin a la que se alimenta, normalmente el nivelde saturacin es del orden del 90 % del valor con que sealimenta. Cuando se da este valor se dice que satura, puesya no est amplificando. La saturacin puede ser aprovechadapor ejemplo en circuitos comparadores. Un concepto asociadoa ste es el Slew rate1

VIII-C. Consulte: Cul es el ancho de banda del amplifi-cador utilizado por usted y como podra modificarlo?

Para seales analgicas, el ancho de banda es la longitud,medida en hercios (Hz), del rango de frecuencias en el que se

1http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional#Saturaci.C3.B3n

5concentra la mayor parte de la potencia de la seal. Puede sercalculado a partir de una seal temporal mediante el anlisisde Fourier. Tambin son llamadas frecuencias efectivas laspertenecientes a este rango.

Veamos cul es el ancho de banda de varios circuitosamplicadores construidos con el A. O. uA741 que tiene unproducto GBW nominal de 1MHz:

Configuracion vo/vi beta frecuenciaNo inversora 10 1/10 100kHz

inversora 100 1/100 10kHzInversora -1 1/2 500kHzInversora -10 1/11 90.9kHz

Cuadro IIIANCHO DE BANDA LM741

VIII-D. Cmo podra describir el comportramiento de unopamp real cuando la frecuencia de entrada es muy alta?Explique.

Al Amplificador Opereracional. tpico tambin se le conocecomo amplificador realimentado en tensin (VFA). En lhay una importante limitacin respecto a la frecuencia: Elproducto de la ganancia en tensin por el ancho de bandaes constante. Como la ganancia en lazo abierto es del ordende 100.000 un amplificador con esta configuracin slo tendraun ancho de banda de unos pocos Hercios(Hz). Al realimentarnegativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 acambio de tener un ancho de banda aceptable. Existen modelosde diferentes A.O. para trabajar en frecuencias superiores,en estos amplificadores prima mantener las caractersticas afrecuencias ms altas que el resto, sacrificando a cambio unmenor valor de ganancia u otro aspecto tcnico.

IX. CONCLUSIONES

Se logro comprobar el funcionamiento de los amplifi-cador obteniendo los resultados esperados y lograndover que este cumple tanto el voltaje de salida como laganancia y la saturacion.Los Amplificadores como su nombre lo dice tieneninfinidad de funciones de las que pudimos resaltar eneste laboratorio fueron : el Amplificador no inversor, elAmplificador restador y el segidorUna forma de ver un amplificador diferencial, es consi-derar que esta formado por un amplificador operacionalinversor y por otro amplificador operacional no inversoresto de acuerdo a la conexion en su diseo en la cualse ve claramente inicialmente inversor ya que la seal 1entra por el pin (-) y la otra seal no inversora en su pin(+).

X. REFERENCIA

I INTRODUCCIONII OBJETIVO GENERALIII OBJETIVOS ESPECIFICOSIV MARCO TEORICOV MATERIALESVI PROCEDIMIENTOS VI-A DISEOVI-B ECUACION DEL AMPLIFICADOR NO INVERORVI-C TABLA DE DATOSVI-D DISEOVI-E ECUACION DEL AMPLIFICADOR RESTADORVI-E1 TABLAS DE DATOS Y SU COMPORTAMIENTO (GRAFICAMENTE):

VII ANALISIS DE RESULTADOSVII-A Experiencia 1: VII-B Experiencia 2:

VIII PREGUNTASVIII-A Realice una comparacin entre el ua741, TL071 y el AD620. Para realizar la comparacin baje de internet las respectivas hojas de especificaciones y utilice criterios como: costo, Impedancia de entrada, Voffset, impedancia de salida, respuesta en frecuencia, corriente de entrada.VIII-B Explique clara y brevemente qu significa la saturacin. VIII-C Consulte: Cul es el ancho de banda del amplificador utilizado por usted y como podra modificarlo? VIII-D Cmo podra describir el comportramiento de un opamp real cuando la frecuencia de entrada es muy alta? Explique.

IX CONCLUSIONESX REFERENCIA