Practica Slab Oratorio i Ut Val

Realizado por: Prof. Csar Martnez Prof. Carlos Centeno

Prof. Dinorah Gimnez Prof. Csar Peraza

VALENCIA, ENERO 2006

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGA VALENCIA DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD LABORATORIO DE ELECTRNICA II

2

PRCTICA 1 AMPLIFICADORES MULTIETAPA: AMPLIFICADOR DE DOS ETAPAS

1. OBJETIVOS:

1.1. OBJETIVO GENERAL:

? Analizar las caractersticas de los transistores BJT en configuracin emisor comn multietapa.

1.2. OBJETIVOS ESPECFICOS:

? Realizar el anlisis en reposo (DC) y el anlisis variacional (AC) de los transistores BJT en

configuracin emisor comn multietapa.

? Medir las variables necesarias y calcular los parmetros ms importantes de un amplificador de

dos etapas: Ganancia de la etapa 1 (AV1), ganancia de la etapa 2 (AV2), ganancia total (AVT),

impedancia de entrada (ZI), impedancia de salida (ZO).

? Comparar los resultados tericos con los determinados en el laboratorio.

2. TEORA:

Cuando en un amplificador se requiere de una elevada ganancia de tensin, debido a que se

desea amplificar la tensin de entrada, se requiere aumentar la potencia de salida que entrega el circuito,

o se desea una mayor corriente por parte de la carga conectada, no es suficiente utilizar un slo

transistor, es necesaria la conexin de varias etapas amplificadoras para cumplir con todas las

necesidades exigidas. Uno de los arreglos utilizados es la llamada Conexin en Cascada, en la cual, la

salida de una etapa se conecta a la entrada de la prxima, tal como se muestra en diagrama de la

figura 1.1:

Fig. 1.1. Esquema de la conexin en cascada

ZLETAPA I ETAPA II

Zi

+

Vi1

-

+

Vo1

-

+

Vi2

-

+

Vo2

-

Zi1Zi2Zo1 Zo2


3

Los amplificadores de varias etapas se caracterizan tambin por la red de acoplamiento que

asocia a las etapas, es decir, como se encuentran las etapas conectadas entre s, esto es importante ya

que esto determina las caractersticas de frecuencia del circuito y la estabilidad del punto de operacin de

ambas etapas. Estas redes de acoplamiento pueden ser: directa, por transformador y por resistencia-

capacitor (RC).

En la figura 1.2 se muestra el esquema de un amplificador de dos etapas acopladas mediante un

condensador Cc, si se desconecta el condensador se puede observar dos circuitos completamente

independientes, ambos en configuracin emisor comn. Su comportamiento como etapas aisladas ya se

ha analizado.

Al conectar el condensador, se puede observar que los puntos de operacin de los transistores

no sufren alteracin, pero al aplicar seal de entrada al circuito se espera que la seal de salida de la

primera etapa obtenida con el condensador desconectado sea la entrada a la segunda etapa, pero esto

no es as, ya que la primera etapa se ve afectada por el acoplamiento de la carga de la segunda etapa.

Por lo tanto, la ganancia de la primera etapa es mayor antes de conectarse la segunda etapa.

Fig. 1.2. Esquema de conexin en cascada acoplada con condensador

La ganancia de tensin (AV) de un circuito amplificador multietapa es mayor que la de un

amplificador monoetapa. En el multietapa, la ganancia parcial de cada una de las etapas por separado

influye sobre la ganancia total del circuito, esta ganancia es proporcional al producto de las ganancias

parciales, es decir:

? ?1.1*.........*** 321 AVnAVAVAVAVT ?

? ?2.1..........1

2

2

3

2

1

1 ViVi

ViVi

ViVi

ViVin

VinVon

AVn

n

nT ??????

?

?

?

+Vi-

ZLETAPA I ETAPA II

Zi

+

Vi1

-

+

Vo1

-

+

Vi2

-

+

Vo2

-

Zi1Zi2Zo1 Zo2

Cc


4

Un circuito monoetapa en configuracin emisor comn se puede analizar tomando como punto de

partida el circuito tpico amplificad or en dicha configuracin, ste se muestra en la figura 1.3.

Fig. 1.3. Amplificador basado en BJT en configuracin emisor comn

2.1. ANLISIS EN REPOSO (DC):

El anlisis de reposo (DC) del circuito se puede determinar realizando el equivalente de Thevenin

visto desde la base del transistor, es decir:

Fig. 1.4. Equivalente de Thevenin del Amplificador BJT en configuracin emisor comn

+Vcc

RcR2

R1 Re

QVthv

Rthv

AC

+Vcc

RcR2

R1

C1Rs

Vs

C2Re

Q

Vo

C1: Condensador de Acople

C2: Condensador de Bypass

Rs: Resistencia interna de lafuente de seal


5

El equivalente de Thevenin de este circuito se determina entonces de la siguiente forma:

? ?3.121

1RR

RVccVthv

??? ? ?4.1

2121

RRRR

Rthv??

?

La corriente de base IB se determina a travs de la malla de entrada al circuito:

? ?5.1Re)1( ???

??

RthvVVthv

I BEB

Si el transistor se encuentra en estado activo entonces la corriente de colector IC es proporcional

a la corriente de base, es decir:

? ?6.1BC II ?? ?

Para determinar si verdaderamente el estado del transistor es el que se asumi, es decir, se

encuentra en estado activo, se recorre la malla de salida del circuito:

? ? ? ?7.11Re BCCE IIRcVccV ??????

Con estos parmetros en DC calculados se define el punto de operacin del circuito y adems se

pueden hallar algunos otros parmetros utilizados en el anlisis variacional, como lo son:

La transconductancia (gm) del circuito se calcula com o:

? ? ? ?8.11???T

C

VI

gm

donde el valor VT = 25 mV.

La resistencia de entrada (rp ) al circuito se determina como:

? ? ? ?9.1??B

T

IV

r?

Y la resistencia de salida (ro) del circuito se calcula como:


6

? ? ? ?10.1??C

Ao I

Vr

donde VA se denomina el voltaje de Early y se define como la magnitud de la tensin a la cual convergen

todas las curvas de la caractersticas de salida de un transistor en configuracin emisor comn,

grficamente es:

Fig. 1.5. Curva caracterstica de salida de un transistor y la definicin del voltaje de Early

Existen dos modelos muy utilizados para analizar la respuesta variacional (AC) del transistor BJT

para pequea seal, el modelo hbrido p y el modelo hbrido h. En este caso se estudiar el

amplificador en emisor comn bajo el modelo hbrido p.

2.2. ANLISIS VARIACIONAL (AC):

El circuito equivalente para pequea seal del amplificador es de la siguiente manera:

Fig. 1.6. Circuito equivalente de pequea seal del amplificador en configuracin emisor comn

VA VCE

IC IB1

IB2

IB3

IB4

IB5

R1//R2

Q

AC

RsRc

Vo

Vs


7

El circuito analizado con el modelo hbrido p se presenta de la siguiente forma:

Fig. 1.7. Modelo de pequea seal del amplificador en configuracin emisor comn

Entonces la ganancia de tensin del circuito es:

? ? ? ?11.1// RcorgViVo

AV mT ??

Y esta misma ganancia vista por completo desde la fuente de seal hasta la salida es:

? ? ? ?12.1//2//1

//2//1//

?

?rRRRs

rRRRcormgVs

VoTAV ?

???

Y las impedancias de entrada y salida del circuito son respectivamente:

? ?13.1//2//1 ?rRRZi ? ? ?14.1// RcorZo ?

Ahora el circuito analizado con el modelo hbrido h se presenta de la siguiente forma:

Fig. 1.8. Modelo hbrido h de pequea seal del amplificador en configuracin emisor comn

Rc

Vo

R1//R2AC

Rs

Vs rorp

+Vp

-

gm*Vp+ Vp -

rp gm*Vp

Zi Zo

Rc

Vo

R1//R2AC

Rs

Vs hoe

hfe.ib

DC

hre.Vce

hie


8

Este modelo hbrido h, no es ms que una red de dos puertos, en donde las variables de entrada

y salida son la tensin base-emisor (Vbe) y la corriente de colector (Ic). Esta red es de la forma:

VcehoeibhfeIc

VcehreibhieVbe

????

????)15.1(

Donde la impedancia de entrada (hie) se define como la variacin de la tensin base-emisor con

la corriente de base, para una determinada tensin colector -emisor, es decir:

? ?16.112

12

IbIbVbeVbe

IbVbe

hieCEQV

??

??

??

La ganancia inversa (hre) se define como la variacin de la tensin base-emisor con la tensin

colector-emisor, para una determinada corriente de base, es decir:

? ?17.112

12

VceVce

VbeVbe

VceVbe

hreBQI

?

??

??

?

La ganancia de corriente (hfe) se define como la variacin de la corriente de coector con la

corriente de base, para una determinada tensin colector-emisor, es decir:

? ?18.112

12

IbIb

IcIc

IbIc

hfeCEQV

?

??

??

?

Y por ltimo, la admitancia de salida (hoe) se define como la variacin de la corriente de colector

con la tensin colector-emisor, para una determinada corriente de base, es decir:

? ?19.112

12

VceVce

IcIc

VceIc

hoeBQI

?

??

??

?

Existe una relacin muy importante asocia a los parmetros del modelo hbrido p con los

parmetros del modelo hbrido h, dichas relaciones son:

? ? ? ? ? ?22.121.1120.1 hfergmhoeo

rhier ???? ??


9

3. PRELABORATORIO:

Para el circuito amplificador multietapa mostrado en la figura 1.8 calcular:

? Punto de operacin de ambas etapas amplificadoras. Utilizar =40.

? Ganancia de tensin de la primera etapa sin acoplar (AV1).

? Ganancia total de tensin del amplificador multietapa (AVT).

? Las impedancias de entrada y salida de la primera etapa sin acoplar (Zi1 y Zo1).

Fig. 1.8. Circuito amplificador multietapa

4. MATERIALES Y EQUIPOS DE LABORATORIO:

? Transistores: (2) ECG123A.

? Resistencias: (1) 18 K?, (1) 1,8 K?, (1) 560 ?, (1) 1 K?, (1) 33 K?, (1) 10 K?, (1) 680 ?,

(1) 22 ?, (1) 100 ? y W c/u.

? Condensadores: (2) 22 F, (2) 100 F y 25 V c/u.

? Potencimetros: (1) 1 K? y W.

? Osciloscopio.

? Generador de seales.

? Fuente de alimentacin contnua.

? Protoboard.

? Puntas de prueba.

? Cables.

1 Kohm

AC

Rc1R2

R1

C1Rs

Vs

Ce1Re1

Q1

P1

C2S1

+Vcc

Rc2

Ce2Re22

Q2

R3

R4Re21

18 Kohm

1,8 Kohm 560 ohm

330 ohm

100 uF

600 ohm 22 uF

33 Kohm

10 Kohm

680 ohm

10 V

22 uF

22 ohm

100 ohm 100 uF

Vo2


10

5. PROCEDIMIENTO:

a. Montar el circuito mostrado en la figura 1.8.

b. Medir el punto de operacin de ambos transistores (Q1 y Q2) con el circuito desacoplado (switch

S1 abierto).

Punto de Operacin Transistor 1 (Q1) Transistor 2 (Q2)

VCE (V)

IC (mA)

IB (uA)

c. Ajustar el generador de seales para obtener una seal senoidal en vaco (sin acoplarle el

circuito multietapa) de 50 mV pico y 1 KHz, estos parmetros deben ser medidos con el

osciloscopio. No basta con colocarlos en el generador de funciones.

d. Con el switch S1 abierto, ajustar el potencimetro P1 hasta obtener una seal de salida senoidal

sin distorsin en el terminal colector de Q1.

e. Observar, medir y calcular simultneamente las seales de entrada (Vi1) en la base y de salida

(Vo1) en el colector del transistor 1 (Q1).

f. Con los valores medidos, calcular la ganancia de tensin de la primera etapa (AV1=Vo1/Vi1).

Ganancia de tensin [AV 1=Vo1/Vi1]

Desfasaje ()

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


11

g. Con el switch S1 cerrado, observar, medir y calcular nuevamente las seales de entrada (V i1) en

la base y de salida (Vo1) en el colector del transistor 1 (Q1).

h. Con los valores medidos, calcular nuevamente la ganancia de tensin de la primera etapa

(AV1=Vo1/Vi1).

Ganancia de tensin [AV 1=Vo1/Vi1]

Desfasaje ()

i. Qu se observa en las seales de salida (Vo1) en el colector del transistor 1 (Q1) en ambos

casos con el switch S1 abierto y cerrado?

j. Si es necesario, ajustar nuevamente el potencimetro P1 para observar sin distorsin las seales

de entrada (V i1) en la base del transistor 1 (Q1) y de salida (Vo1) y (Vo2) en el colector de los

transistores 1 y 2 (Q1 y Q2) respectivamente.

k. Con el switch S1 cerrado, observar, medir y calcular las seales de entrada (V i1) en la base del

transistor 1 (Q1) y de salida (V o2) en el colector del transistor 2 (Q2).

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


12

l. Con los valores medidos, calcular la ganancia de tensin total del circuito multietapa

(AVT=Vo2/Vi1).

Ganancia de tensin [AV T=Vo2/Vi1]

Desfasaje ()

m. Comparar los resultados obtenidos con los del Prelaboratorio.

n. Elaborar las conclusiones correspondientes a las observaciones y clculos realizados en el

circuito multietapa.

6. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


13

PRCTICA 2 AMPLIFICADORES DE POTENCIA: AMPLIFICADOR DE SIMETRA COMPLEMENTARIA PUSH-PULL

1. OBJETIVOS:


? Analizar las caractersticas de los amplificadores de potencia clase B.


? Realizar el anlisis variacional (AC) del amplificador de potencia de simetra complementaria

(Push-Pull).

? Medir las variables necesarias y calcular las potencias de entrada y salida de un amplificador de

potencia de simetra complementaria (Push-Pull).

? Determinar la eficiencia de dicho amplificador.

? Medir la corriente de salida entregada a una carga resistiva pura por un amplificador de potencia

de simetra complementaria.

? Comparar los resultados tericos con los determinados en el laboratorio.

2. TEORA:

Hasta aqu se han estudiado amplificadores capaces de convertir seales de bajo nivel en

variaciones de tensin verdaderamente importantes, empleando para ello una o varias etapas

amplificadoras. Generalmente, se requiere una seal de salida capaz de entregar suficiente potencia a un

dispositivo externo que acta como carga. Si a los circuitos estudiados hasta ahora se le aplicara alguna

de estas cargas, los circuitos estaran condenados al mal funcionamiento, pues stas presentan bajas

impedancias internas, mientras los otros poseen impedancias de salida elevadas; por lo tanto, es

necesario la conexin de circuitos capaces de gobernar las corrientes exigidas por esas cargas; estos

circuitos se les llaman comnmente Amplificadores de Potencia.

En los amplificadores de pequea seal, los principales factores que se tienen en cuenta son: la

magnitud de la ganancia de tensin y/o corriente y la linealidad de la amplificacin. Debido a que este tipo

de amplificadores manejan tensiones y corrientes pequeas, factores como la capacidad de manejo de

potencia entregada a la carga y la eficiencia del circuito son poco interesantes.

En los amplificadores de potencia o de gran seal, se manejan tensiones y corrientes

suficientemente altos, como para proporcionar la potencia requerida por una carga de salida o cualquier


14

otro dispositivo de potencia. Por lo general los valores de potencia entregada son desde unos cuantos

watts a decenas de watts.

Las principales caractersticas de los amplificadores de potencia son: la mxima potencia que

ste puede manejar, la eficiencia del circuito y el acoplamiento de impedancias con la carga o dispositivo

de salida.

En las etapas de pequea seal, cada dispositivo no lineal se sustituye por su modelo lineal

equivalente y la respuesta total se determina mediante el anlisis del circuito lineal. En las etapas de

potencia, las variaciones de corriente y tensin de salida son tan grandes que el transistor de potencia no

puede representarse por un modelo lineal y el anlisis del mismo debe hacerse grficamente, usando las

caractersticas de salida del dispositivo determinadas experimentalmente. Estas no linealidades se deben

a la aparicin en la salida del dispositivo de componentes frecuenciales que no existen en la seal de

entrada.

Los amplificadores de potencia se clasifican de acuerdo con la parte del ciclo de la onda de

entrada durante la cual circula corriente a la carga o existe tensin de salida. Esta clasificacin representa

la cantidad que vara la seal de salida a lo largo de un ciclo de operacin, para un ciclo completo de la

seal de entrada.

Especficamente en los amplificadores de potencia clase B, circula corriente a la carga en un slo

semiciclo, para los 360 de la seal de entrada, es decir, cuando la seal de entrada recorre los dos

semiciclos (360), la corriente hacia la carga circula para uno de los dos semiciclos (180).

Para dejar al circuito sin corriente hacia la carga durante un semiciclo, lo que se hace es

prcticamente dejar al amplificador sin polarizacin.

Los amplificadores de potencia de simetra complementaria, denominados comnmente

amplificadores Push-Pull, basan su configuracin en dos amplificadores clase B que se conectan de

forma complementaria de manera tal de que cada uno conduzca la corriente de carga en semiciclos

opuestos, para hacer que siempre la carga consuma corriente. La configuracin de estos dos transistores

en contraposicin proporciona una mayor eficiencia de la que es posible con un slo transistor en

operacin clase A.


15

Fig. 2.1. Grfico de la corriente de carga (IL) para cada tipo de amplificador de potencia

Las figuras 2.2 y 2.3 muestran los diagramas de bloques de las configuraci ones tpicas de un

amplificador de potencia de simetra complementaria (Push-Pull):

CLASE A

CLASE B

SEAL DEENTRADA

CLASE AB

CLASE C

Vi

t

t

t

t

t

IL

IL

IL

IL

La corriente circula durante360 (un ciclo completo) paraun ciclo completo de la seal

de entrada

La corriente circula durante180 (un semiciclo) para un

ciclo completo de la seal deentrada

La corriente circula durante180


16

Fig. 2.2. Amplificador de simetra complementaria con dos alimentaciones

Un amplificador Push-Pull emplea transistores complementarios, es decir, utiliza transistores NPN

y PNP. La nica seal de entrada que se requiere se aplica a ambas entradas de la base, como los

transistores son de tipo opuesto, conducirn en medos ciclos opuestos de entrada; es decir, durante el

medio ciclo positivo de la seal de entrada el transistor NPN conduce y el PNP no, dando un medio ciclo

de la seal de salida; durante el medio ciclo negativo de la seal de entrada el transistor PNP conduce y

el NPN no, dando el otro medio ciclo de la seal de salida. Por lo tanto, un ciclo completo de la entrada,

desarrolla un ciclo completo de la salida a travs de la carga.

Fig. 2.3. Amplificador de simetra complementaria con una alimentacin

La forma bsica de alimentar a este tipo de circuitos es disponiendo de una fuente de

alimentacin dual que proporciona tensiones de +Vcc y Vcc, como se observa en la figura 2.2; aunque

tambin se emplea una sola fuente de alimentacin, como en la figura 2.3, en este caso, el condensador

de acople de la carga hace las veces de una de las fuentes, para activar al transistor PNP que hace que

la fuente de alimentacin entregue potencia a la carga en el semiciclo negativo de la seal de entrada.

MEDIOCIRCUITO

MEDIOCIRCUITO CARGA

+Vcc

-Vcc

CVi

MEDIOCIRCUITO

MEDIOCIRCUITO

CARGA

+Vcc

Vi


17

Por ser el condensador de acople de la carga de una capacidad elevada, al conducir el transistor

NPN, ste adquiere carga suficiente a travs de dicho transistor. Cuando el transistor NPN se corta, la

tensin en los extremos del condensador hace de fuente para activar al transistor complementario PNP.

Para el caso particular de la prctica se emplear el amplificador de simetra complementaria con

una alimentacin.

2.1. POTENCIA DE ENTRADA (Pi):

La potencia de entrada al circuito proporcionada por la o las fuentes de alimentacin es:

? ? ? ?1.2IpromVccdcPi ??

donde Iprom es la corriente promedio de contnua que entregan las fuentes de alimentacin. En operacin

clase B, el consumo de corriente de una sola fuente de alimentacin tiene la forma de una seal

rectificada en onda completa, mientras que la corriente que se entrega de dos fuentes tiene la forma de

una seal rectificada en media onda.

De cualquier forma, con una o dos fuentes de alimentacin, el consumo de corriente de las

fuentes se puede calcular usando el Teorema del Valor Medio (TVM). Dicho teorema enuncia que el valor

medio de cualquier funcin en un intervalo determinado, es igual a la integral de la funcin evaluada en el

intervalo definido dividida por la resta de los lmites de dicho intervalo, esto es:

? ?? ???b

a

dxxfab

Vm 2.2)(1

Como se mencion anteriormente, la forma de onda de la corriente que entrega la o las fuentes

de alimentacin es de la forma de una seal rectificada en media onda o en onda completa, debido a esto

y suponiendo una seal de entrada al circuito senoidal, la corriente promedio que entrega la o las fuentes

de alimentacin es:

? ?????

? 0)(

01

dttSeniIprom pico

? ?3.22 picoiIprom ?? ?


18

donde ipico es la corriente pico de salida o la corriente pico que consume la carga.

2.2. POTENCIA DE SALIDA (Po):

La potencia de salida es la que consume la carga, en otras palabras es la potencia disipada por la

carga, se calcula de diversas formas, dos maneras muy comunes son:

? ? ? ?4.2)()(2

L

L

RrmsV

acPo ? ? ?? ? ? ?5.2)( 2rmsiRacPo LL ??

2.3. EFICIENCIA (?%):

La Eficiencia de un circuito se define como el cociente entre las potencias de salida y entrada al

mismo, es decir:

? ?6.2%100)()(

% ??dcPiacPo

?

2.4. POTENCIA DISIPADA POR LOS TRANSISTORES:

La potencia disipada por efecto Joule por los transistores en un amplificador Push-Pull es la

diferencia entre las potencias de entrada y salida del circuito.

? ?7.2)()(2 acPodcPiP Q ??

Si ambos transistores poseen las mismas caractersticas, la potencia que disipa ambos es la

misma, entonces:

? ?8.222Q

Q

PP ?

La forma de onda en la carga en un amplificador Push-Pull no es una senoide perfecta, ya que

presenta distorsin de Cross Over (cruce por cero), es decir, la no linealidad en la seal de salida; esto se

debe a que la operacin del circuito no brinda una conmutacin exacta de un transistor en corte a estado

activo en la condicin de voltaje cero; ya que en las uniones base-emisor de ambos transistores se

genera una cada de tensin de aproximadamente 0,7 V, debido a las uniones PN asociadas a la base y


19

el emisor respectivamente. El grfico que se muestra a continuacin describe la distorsin originada en

un amplificador Push-Pull.

Fig. 2.4. Distorsin de Cross Over en un amplificador de simetra complementaria

3. PRELABORATORIO:

Para el circuito amplificador de simetra complementaria (Push-Pull) mostrado en la figura 2.5 y

suponiendo una seal de entrada senoidal de 500 mV pico, determinar:

? Punto de operacin de cada transistor. Utilizar =40.

? Potencia de entrada (Pi), potencia de salida (Po) y eficiencia (?%) del circuito amplificador.

? Potencia consumida por cada uno de los transistores.

? Grfico de la tensin de salida en la carga del circuito amplificador.

t

VL

Distorsin de Cross Over


20

Fig. 2.5. Circuito amplificador de simetra complementaria con una sola alimentacin


? Transistores: (1) ECG54, (1) ECG55.

? Resistencias: (2) 10 K?, (2) 680 ? y W c/u.

? Condensadores: (1) 22 F y 25 V, (1) 100 F y 50 V.

? Potencimetros: (1) 1 K? y W.

? Corneta 8 ? y 2 W.

? Osciloscopio.



? Protoboard.

? Puntas de prueba.

? Cables.

AC

Vcc9 VR1

10 Kohm

R2680 ohm

R510 Kohm

R4680 ohm

R31 Kohm

C122 uF

C2100 uF

RL8 ohm

Q2

Q1

Vi


21

5. PROCEDIMIENTO:


b. Aplicar la alimentacin de contnua y sin conectar la seal (generador de funciones) medir el

punto de operacin de ambos transistores (Q1 y Q2).

Punto de Operacin Transistor 1 (Q1) Transistor 2 (Q2)

VCE (V)

IC (mA)

IB (uA)

c. Medir la tensin de base, la tensin de emisor y la tensin base-emisor de ambos transistores.

Variable Transistor 1 (Q1) Transistor 2 (Q2)

VB (V)

VE (V)

VBE(V)

d. Conectar el generador de seales y ajustar Vi a 0V, 1KHz. Aumentar lentamente Vi hasta

conseguir una tensin en la carga sin distorsin. Observar Vi y VL simultneamente. Medir y

dibujar ambas seales.

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


22

e. Con el valor medido de la tensin en la carga (VL), calcular la corriente circulante por la misma

(IL).

Variable

IL (mA)

f. Calcular la corriente promedio (Iprom) entregada por la fuente de alimentacin.

Variable

Iprom (mA)

g. Calcular la potencia de entrada al circuito amplificador.

Variable

Pi(dc) (W)

h. Calcular la potencia de salida al circuito amplificador.

Variable

Po(ac) (W)

i. Indicar en el dibujo de la seal de salida la distorsin de cruce por cero si se observa.

j. Calcular la eficiencia (?%) del circuito amplificador.

Variable

? (%)

k. Variar el potencimetro R3 y observar lo que ocurre. Explicar.

l. Cmo es la amplitud de la tensin VL con respecto a la amplitud de la tensin de base de cada

transistor?

m. Comparar los resultados obtenidos con los del Prelaboratorio.

n. Elaborar las conclusiones correspondientes a las observaciones y clculos realizados en el

circuito amplificador Push-Pull.


23



24

PRCTICA 3 AMPLIFICADORES OPERACIONALES: CIRCUITOS BSICOS LINEALES

1. OBJETIVOS:


? Distinguir las caractersticas elctricas de los amplificadores operacionales (A -Ops) en

aplicaciones lineales (con realimentacin negativa).


? Determinar tericamente las tensiones de salida y las ganancias de tensin para cada uno de los

circuitos contenidos en la prctica.

? Determinar experimentalmente para los circuitos amplificadores Inversor, No Inversor y Seguidor

de tensin, las variables Ganancia de Tensin (Av), Desfasaje (?), Ancho de Banda (B).

? Determinar experimentalmente la relacin existente entre la entrada y la salida en un circuito

Integrador.

2. TEORA:

Hasta ahora se han estudiado algunos dispositivos en forma aislada, es decir, se ha estudiado el

funcionamiento de los dispositivo s individualmente y las funciones que stos realizan. Ahora se estudiar

el rea de los circuitos integrados lineales, en donde miles de transistores, diodos, resistencias,

capacitores y otros elementos se fabrican en una pastilla de material semiconductor y se encapsula en un

slo dispositivo.

Un circuito integrado como el amplificador operacional se estudia como un slo dispositivo, an

cuando ste est constituido por miles de dispositivos. Esto significa que ahora interesa ms lo que hace

el circuito como un todo y no desde el punto de vista individual.

El amplificador operacional (A -Op) es un dispositivo analgico lineal universal, el cual, debido a

su versatilidad, bajo costo, tamao pequeo y eficiencia, se puede utilizar en una gran variedad de

aplicaciones. Los amplificadores operacionales se utilizan en muchas de las aplicaciones de amplificacin

y/o comparacin. Tambin se utilizan en circuitos, para realizar operaciones matemticas, filtrado de

seales, conformacin y generacin de diversos tipos de ondas, conversin analgica/digital y

digital/analgica, etc.


25

Un circuito lineal basado en un amplificador operacional es aquel, en donde la salida es

directamente proporcional a la seal o seales de entrada. Para conformar un circuito lineal basado en un

amplificador operacional, se debe agregar una realimentacin negativa (realimentar la salida con el

terminal inversor) al operacional para poder controlar las caractersticas propias del dispositivo. Cuando

se agrega dicha realimentacin en el dispositivo, se origina lo que se denomina Tierra Virtual, debido a

que la tensin en el terminal inversor se hace prcticamente igual a la tensin en el terminal no-inversor

del operacional, esto facilita enormemente el anlisis de los circuitos basados en amplificadores

operacionales.

Entre los circuitos lineales bsicos se encuentran: el amplificador inversor, el seguidor de tensin,

el amplificador no- inversor, el sumador inversor, el integrador y el derivador, entre otros.

El circuito integrado A741 es un amplificador operacional compensado en frecuencia, ste es

uno de los A-Ops ms comnmente usados para aplicaciones generales, los bloques que conforman a

este circuito integrado son:

Fig. 3.1. Diagrama de bloques de un circuito integrado A741

La etapa del amplificador diferencial de entrada se disea en base a BJTs o FETs para

amplificar la diferencia de las seales de entrada. La etapa de amplificador de alta ganancia es un circuito

con una o ms etapas amplificadoras, pudiendo tener una segunda etapa diferencial y amplificadores en

configuracin emisor comn para amplificar la seal de salida del circuito amplificador diferencial.

CIRCUITOS DE POLARIZACIN. ESPEJOS DECORRIENTE MLTIPLES FUENTES DE ALIMENTACIN

(Vcc Y Vee)

AMPLIFICADOR DIFERENCIALDE ENTRADA

AMPLIFICADOR DE ALTAGANANCIA

CIRCUITOS DERESTAURACINDE NIVEL DE DC

ETAPA DE SALIDA

CARGA


26

Los circuitos de restauracin de DC son circuitos que compensan los desniveles de DC que

producen la conexin en cascada de varias etapas amplificadoras. Los circuitos de polarizacin son

circuitos tipo espejos de corriente que polarizan cada una de las etapas del A-Op.

La etapa de salida posee circuitos amplificadores de corriente capaces de entregar los niveles

mximos de tensin y corriente del A-Op. La configuracin ms usada en esta etapa es de tipo Push-Pull.

El circuito lineal equivalente del amplificador operacional es el siguiente:

Fig. 3.2. Circuito equivalente del A-Op

Las caractersticas ms importantes de un amplificador operacional son:

? Elevada ganancia de tensin en lazo abierto (Ao).

? Alta impedancia de entrada (Ri).

? Baja impedancia de salida (Ro).

? Elevado ancho de banda (B).

? Elevada relacin de rechazo en modo comn (CMRR).

2.1. AMPLIFICADOR INVERSOR:

Un circuito amplificador inversor es un circuito que genera una seal de salida (Vo) amplificada y

desfasada 180 con respecto a una seal de entrada (Vi) de acuerdo a la relacin:

? ?1.31

2 ViRR

Vo ????

????

???

D C A o * V i

RoR i

V o

V i

+

-


27

2.2. AMPLIFICADOR NO-INVERSOR:

Un circuito amplificador no-inversor es un circuito que genera una seal de salida (Vo)

amplificada y en fase con respecto a una seal de entrada (Vi) de acuerdo a la relacin:

? ?2.311

2 ViRR

Vo ????

????

???

2.3. SEGUIDOR DE TENSIN:

Un circuito seguidor de tensin es un circuito que genera una seal de salida (Vo) que sigue a la

seal de entrada (Vi), es decir:

? ?3.3ViVo ?

2.4. INTEGRADOR:

Un circuito integrador es un circuito que genera una seal de salida (Vo) que integra la seal de

entrada (Vi), de acuerdo a la relacin:

? ?4.310

dtViCR

Vot

??

?? ?

2.5. DERIVADOR:

Un circuito derivador es un circuito que genera una seal de salida (Vo) que deriva la seal de

entrada (Vi), de acuerdo a la relacin:

? ?5.3dt

dViCRVo ????

3. PRELABORATORIO:

Investigar el significado y valor numrico de las siguientes caractersticas elctricas del

amplificador operacional LM741: Slew Rate (SR), Ancho de Banda (B), Producto Ganancia Ancho de

Banda (Av*B), Relacin de Rechazo en Modo Comn (CMRR).


28

Para el circuito amplificador Inversor mostrado en la figura 3.3 y suponiendo una seal de entrada

senoidal de 1 V pico, calcular los valores de resistencia necesarios para obtener una Ganancia de tensin

Av = 22.

Para el mismo circuito de la figura 3.3, calcular el Ancho de Banda esperado, considerando la

ganancia de diseo y el producto Ganancia Ancho de Banda (Av*B) dado por el fabricante.

Cmo hara para determinar la tensin mxima de entrada para que no haya distorsin a la

salida?

Fig. 3.3. Amplificador Inversor

Para el circuito amplificador No-Inversor mostrado en la figura 3.4 y suponiendo una seal de

entrada senoidal de 100 mV pico, determinar los valores de resistencia necesarios para obtener una

Ganancia de tensin Av = 22.

Para el mismo circuito de la figura 3.4 calcular el Ancho de Banda esperado, considerando la

ganancia de diseo y el producto Ganancia Ancho de Banda (Av*B) dado por el fabricante.

Fig. 3.4. Amplificador No-Inversor

-

+AC

R2

R1

Vo

Vi

+15 V

-15 V

-

+

R2

R1

Vo

AC Vi

-15 V

+15 V


29

Para el circuito seguidor de tensin mostrado en la figura 3.5 y suponiendo una seal de entrada

senoidal de 5 V pico, determinar:

? Tensin de salida del circuito (Vo).

? Ganancia del circuito amplificador (AV).

Fig. 3.5. Seguidor de tensin

Para el circuito Integrador mostrado en la figura 3.6 y suponiendo una seal de entrada cuadrada

de 1 V pico, determinar:



Fig. 3.6. Integrador

Para el circuito Derivador mostrado en la figura 3.7 y suponiendo una seal de entrada senoidal

de 1 V pico, determinar:

-

+AC

C

R

Vo

Vi

+15 V

-15 V

-

+

AC

Vo

Vi

-15 V

+15 V


30



Fig. 3.7. Derivador


? Amp-Op: (1) LM741 (o equivalente).

? Resistencias: (1) 10 K? , (1) 22 K? , (1) 100 K? ?y W c/u.

? Condensadores: (1) 68 nF, (1) 150 nF y 50 V c/u.

? Osciloscopio.



? Protoboard.

? Puntas de prueba.

? Cables.

5. PROCEDIMIENTO:

Amplificador Inversor:

a. Montar el circuito diseado para la figura 3.3.

b. Alimentar con una tensin dual de 15V al Amp-Op e introducir una seal senoidal de 0,5V pico y

una frecuencia de 1 KHz (medidos con el osciloscopio).

c. Llenar la tabla que se presenta a continuacin con los valores medidos.

d. Para medir el Ancho de Banda, aument ar la frecuencia hasta que Vo=Vomx/1,41. En ese

momento medir la frecuencia. Para realizar esta medicin se debe mantener Vi constante.

-

+AC

C

R

Vo

Vi

+15 V

-15 V


31

Vi (V) Vo (V) Av T () B (Hz) Vimx (V)

e. Observar y dibujar las formas de onda de las tensiones de entrada (Vi) y salida (Vo) del circuito.

f. Qu relacin se encuentra entre la Ganancia de tensin y la tensin mxima de entrada?.

Amplificador No Inversor:

a. Montar el circuito diseado para la figura 3.4.

b. Alimentar con una tensin dual de 15V al Amp-Op e introducir una seal senoidal de 0,5 V pico y



Vi (V) Vo (V) Av T () B (Hz) Vimx (V)

d. Para medir el Ancho de Banda, aument ar la frecuencia hasta que Vo=Vomx/1,41. En ese

momento medir la frecuencia. Para realizar esta medicin se debe mantener Vi constante.

e. Si la ganancia de diseo fuera Av=100, cul sera el Ancho de Banda esperado?.

f. Observar y dibujar las formas de onda de las tensiones de entrada (Vi) y salida (Vo) del circuito.

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


32

Seguidor de tensin:


b. Alimentar con una tensin dual de 15V al Amp-Op e introducir una seal senoidal de 5 V pico y



d. Observar y dibujar las formas de onda de las tensiones de entrada (Vi) y salida (Vo) del circuito.

Valor pico tensin de salida (Vo)

Ganancia de tensin (Vo/Vi)

Desfasaje ()

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


33

Integrador:


b. Alimentar con una tensin dual de 15V al Amp-Op e introducir una seal triangular de 1 V pico y

una frecuencia de 1 KHz.

c. Colocar un condensador de realimentacin C=68 nF y una resistencia R1=10 K? .

d. Llenar la tabla que se presenta a continuacin con los valores medidos.

Condensador C=68 nF Condensador C=150 nF

Valor pico tensin de salida (Vo)

Ganancia de tensin (Vo/Vi)

Desfasa je ()

e. Observar y dibujar las formas de onda de las tensiones de entrada (Vi) y salida (Vo) del circuito.

f. Alimentar ahora el circuito con una seal cuadrada de 1 V pico y una frecuencia de 100 Hz.

Aumentar lentamente la frecuencia hasta conseguir una seal lo ms parecida posible a la

integral de la seal de entrada. Observar y graficar la forma de onda de salida.

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


34

g. Escribir una ecuacin matemtica que describa el funcionamiento del circuito para estas ltimas

condiciones.

h. Colocar un condensador de realimentacin C=150 nF y una resistencia R1=10 K? .

i. Repetir los pasos del d al g para el nuevo valor del condensador de realimentacin.

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


35



36

PRCTICA 4 AMPLIFICADORES OPERACIONALES: CIRCUITOS BSICOS NO LINEALES

1. OBJETIVOS:


? Distinguir las caractersticas elctricas de los amplificadores operacionales (A-Ops) en lazo

abierto o con realimentacin positiva.


? Determinar tericamente las caractersticas elctricas ms relevantes para cada uno de los

circuitos contenidos en la prctica.

? Determinar la tensin de salida de un circuito comparador en configuracin inversor y no-inversor.

? Determinar la tensin de salida y observar las caractersticas de transferencia de un circuito

comparador regenerativo Schmitt Trigger.

? Determinar la tensin de salida y observar las caractersticas de transferencia de un circuito

rectificador de onda completa de precisin.

2. TEORA:

Un circuito no lineal basado en un amplificador operacional es aquel, en donde la salida no es

proporcional a la seal o seales de entrada. Para conformar un circuito no lineal basado en un

amplificador operacion al, se debe colocar al operacional en lazo abierto o con realimentacin positiva

(realimentar la salida con el terminal no-inversor) para poder controlar las caractersticas propias del

dispositivo.

En ambos casos (lazo abierto o realimentacin positiva), las tensiones en los terminales inversor

y no-inversor del operacional no son iguales y en el operacional ocurre un efecto de inestabilidad que

mantiene a la Funcin de Transferencia del A-Op con una ganancia muy elevada, es decir, cualquier

cambio en la entrada, por mnimo que sea, origina que la salida se vaya a su valor mximo positivo (Vcc)

o mximo negativo (V EE), introduciendo saturacin en la salida del sistema y por lo tanto histresis en la

salida.

Desde el punto de vista frecuencial, dicha realimentacin positiva introduce polos en el semiplano

derecho del plano complejo S, produciendo la condicin de inestabilidad.


37

El funcionamiento del amplificador operacional en lazo abierto o con realimentacin positiva es el

siguiente: cuando la tensin en el terminal no-inversor es mayor que en el terminal inversor, la tensin de

salida es un nivel alto (Vcc), cuando la tensin en el terminal no-inversor es menor que en el terminal

inversor, la tensin de salida es un nivel bajo (VEE) y cuando las tensiones en los terminales no-inversor e

inversor son iguales, la tensin de salida es cero, aunque este ltimo caso es prcticamente imposible de

lograr debido a que por pequea que sea la diferencia entre ambos terminales, siempre uno ser mayor

que el otro. Este funcionamiento se puede resumir de la siguiente manera:

? Vcc Vo V VSi - ????

? EEV Vo V VSi ?????

? 0 Vo V VSi - ????

Entre los circuitos no lineales bsicos se encuentran: el comparador no-inversor, el comparador

inversor, el comparad or regenerativo o Schmitt Trigger, el rectificador demedia onda de precisin y el

rectificador de onda completa de precisin, entre otros.

Las caractersticas ms importantes de un comparador son:

? Alta velocidad de respuesta (Alto Slew Rate).

? Bajos ni veles de Offset (IOS, IB y VOS).

? Bajo nivel de ruido.

? Alta ganancia en lazo abierto (Ao).

2.1. EL A-OP COMO COMPARADOR:

Bsicamente el apmplificador operacional utilizado como circuito comparador lo que hace es

comparar dos seales, las cuales se introducen por sus terminales inversor y no-inversor, de acuerdo a

los niveles de tensin introducidos por ambos terminales, el resultado de dicha comparacin se puede

definir como:

? Vcc Vo V VSi - ????

? EE- V Vo V VSi ??? ?

? 0 Vo V VSi - ????


38

2.2. COMPARADOR REGENERATIVO SCHMITT TRIGGER:

A veces se desean comparar dos seales, pero stas presentan algunas veces ruido aleatorio

debido a ciertos factores como el ambiente o entorno en donde se instale el circuito, entre otros. La

presencia de es te tipo de ruidos puede alterar el valor verdadero de las seales de entrada que se

desean comparar y por lo tanto puede originarse una comparacin inadecuada la cual producira una

seal de salida no deseada. Otras veces, se desean transformar seales lentas en abruptas.

Fig. 4.1. Comparador Regenerativo Schmitt Trigger

Para este tipo de casos lo conveniente es utilizar un comparador regenerativo o de tipo Schmitt

Trigger, este comparador tiene la caracterstica de que cambia el nivel de tensin de referencia que se

encuentra presente en el terminal no-inversor del A-Op, debido a esto, el circuito tendr dos niveles de

referencia en el terminal no-inversor, ste cambiar de VREF1 (si Vo=Vcc) a VREF2 (si Vo=VEE), esto hace

que la Funcin de Transferencia del sistema exhiba una histresis de la forma:

Fig. 4. 2. Ventana de histresis del comparador regenerativo

Vo

Vi

Vcc

VEE

VREF1VREF2

Ancho de la ventana de histresis

-

+

Vi

Vref

R1

R2

-15 V

+15 V

Vo


39

Cuando la salida del comparador es alta (Vo=Vcc), la tensin en el terminal no-inversor del

comparador es mayor que la seal de entrada Vi, de la forma:

? ? ? ?1.41 1 ViVVVccV REFREF ???????? ??

Cuando la salida del comparador es baja (Vo=VEE), la tensin en el terminal no-inversor del

comparador es menor que la seal de entrada Vi, de la forma:

? ? ? ?2.41 2 ViVVVV REFREFEE ???????? ??

En la figura 4. 2 se puede determinar el ancho de la ventana de histresis, realizando la resta de

las tensiones que se generan en el terminal no-inversor del comparador cuando la salida de ste cambia

de alto a bajo, es decir:

21tan REFREF VVavenAncho ??

? ? ? ?3.4tan EEVVccavenAncho ??? ?

Tambin en la figura 4.2 se puede observar que la comparacin depender de la pendiente de la

seal de entrada. Cuando la pendiente es positiva, la salida (Vo) se rige por la curva de histresis de

VREF1 (flechas hacia la derecha), por otro lado, si la pendiente de la seal es negativa, la salida (Vo) se

rige por la curva de histresis de VREF2 (flechas hacia la izquierda).

Al conmutar la salida, un eventual ruido superpuesto a la seal de entrada (Vi) es incapaz de

reconmutar en forma simple al comparador, ya que el punto de comparacin cambia con el cambio en la

salida, a menos que el nivel de ruido superpuesto supere la diferencia 21 REFREF VV ? .

2.3. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA DE PRECISIN:

Este circuito permite rectificar una seal en onda completa, incluso aquellas cuyo valor pico sea

inferior a 0,7 V, hasta seales con un valor pico sea aproximadamente 0,7/Ao, donde Ao es la ganancia

en lazo abierto del operacional.

En el semiciclo positivo de la seal de entrada (Vi), se observa que en el operacional superior

V+>V-, esto origina que la salida de ste sea +Vcc, haciendo que D1 conduzca, produciendo una

realimentacin negativa en dicho operacional y colocndolo en configuracin seguidor de tensin, por lo


40

tanto la salida del rectificador (VL) se igual a la entrada (VL=Vi). En este mismo semiciclo, en el

operacional inferior se observa que V+


41

Fig. 4.4. Funcin de Transferencia del rectificador de onda completa de presicin

3. PRELABORATORIO:

Para el circuito comparador mostrado en la figura 4.5 determinar y graficar la tensin de salida

para las siguientes condiciones de las entradas V1 y V2.

Fig. 4.5. Comparador

? V1=15 V y V2=5 V.

? V1=0 V y V2= -10 V.

? V1=5 V y V2=15 V.

Para el circuito de la figura 4.1, con Vref =5 V, R1=1 K?, R2=2,2 K? y Vi=15*Sen(wt). Determinar

la tensin de salida del circuito, la Funcin de Transferencia y el ancho de la ventana de histresis.

Para el circuito rectificador de onda completa de presicin de la figura 4.3, con R1=R2= 1K? y

Vi=20mV*Sen(wt), determinar la tensin de salida del circuito y la Funcin de Transferencia.

Vi

VL

-15 V

+15 V

-

+

V1

V2

Vo


42



? Resistencias: (2) 10 K? , (1) 22 K? y W c/u.

? Potencimetros: (2) 500K ? .

? Osciloscopio.



? Protoboard.

? Puntas de prueba.

? Cables.

5. PROCEDIMIENTO:


b. Alimentar el circuito con una alimentacin dual de 15 V.

c. Aplicar los voltajes indicados en la tabla siguiente.

d. Observar la salida del circuito comparador.

e. Llenar la tabla 4.1 con los valores medidos y comparar con los valores calculados.

Fig. 4.6. Circuito comparador

-15 V

+15 V

-

+

V1

V2

Vo

-15 V

+15 V

P1

P2

V1 V2

V1 V2


43

Tensin entrada V1 (V) 0 0 5 5 -5 -5

Tensin entrada V2 (V) 5 -5 0 -5 0 5

Salida (Vo)

a. Montar el circuito de la figura 4.1, con R1=10 K? y R2=22 K? y VREF=0V.


c. Introducir una seal senoidal de entrada (Vi) de 5 V pico y 1 KHz.

d. Observar y dibujar las seales de entrada (Vi) y salida (Vo).

e. Colocar el control del Time-Division en la posicin X-Y para observar la Funcin de Transferencia

del circuito.

f. Observar y dibujar la ventana de histresis del circuito comparador regenerativo.

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


44

g. Calcular el ancho de la ventana de histresis utilizando el grfico anterior.

Ancho de la ventana de histresis (V)

a. Montar el circuito de la figura 4.3, con R1=R2=10 K? y RL=1 K?.


c. Introducir una seal senoidal de entrada (Vi) de 20 mV pico y 1 KHz.

d. Observar y dibujar las seales de entrada (Vi) y salida (Vo).

e. Colocar el control del Time-Division en la posicin X-Y para observar la Funcin de Transferencia

del circuito.

f. Observar y dibujar la Funcin de Transferencia del rectificador.

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


45

g. Colocar en la resistencia R2 un nuevo valor R2=2,2 K? .

h. Observar y dibujar las seales de entrada (Vi) y salida (Vo).

i. Colocar el control del Time-Division en la posicin X-Y para observar la Funcin de Transferencia

del circuito.

j. Observar y dibujar la Funcin de Transferencia del rectificador.

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


46



47

PRCTICA 5 AMPLIFICADORES OPERACIONALES: APLICACIONES LINEALES Y NO LINEALES

1. OBJETIVOS:


? Analizar las caractersticas elctricas de algunas de las aplicaciones tpicas tanto lineales como

no-lineales de los amplificadores operacionales (A-Ops).


? Determinar tericamente las caractersticas elctricas ms relevantes para un circuito convertidor

V/I con conexin de carga a tierra y tensin de control diferencial.

? Graficar y comprobar que la corriente de salida (IL) de un convertidor V/I no depende de la carga

conectada.

? Determinar tericamente las caractersticas elctricas de un circuito generador de onda cuadrada

u oscilador astable.

? Graficar la seal de salida (VL) y la tensin del condensador de temporizacin (Vc) de un circuito

generador de onda cuadrada u oscilador astable.

? Calcular los tiempos en estado alto y bajo de la seal de salida de de un circuito generador de

onda cuadrada.

? Determinar tericamente las caractersticas elctricas de un circuito detector de ventana.

? Graficar la seal de salida (VL) de un circuito detector de ventana.

? Graficar la Funcin de Transferencia de un circuito detector de ventana.

2. TEORA:

Existen gran variedad de aplicaciones tanto lineales como no-lineales que utilizan A-Ops para

resolver diferentes tipos de problemas que se presentan comnmente como: generacin de ondas,

deteccin, filtraje y conversin de seales, etc.

Entre las aplicaciones ms comunes se tiene el generador de onda cuadrada u oscilador astable

(ningn estado estable), el convertidor tensin corriente y el detector de ventana, stos son los tres

circuitos que se estudiarn en esta prctica.


48

2.1. CONVERTIDOR TENSIN CORRIENTE:

Este circuito es un convertidor tensin corriente con conexin de carga a tierra y tensin de

control diferencial, el cual tiene como propsito convertir una tensin de entrada, la cual es diferencial, en

una corriente que es proporcional a la diferencia de las seales de entrada (V1 y V2) y la cual no depende

de la carga conectada a la salida, de la forma:

? ?1.51

21

RVV

I L?

?

Este circuito realiza esta funcin de conversin siempre y cuando se cumplan dos condiciones

importantes, la carga conectada a su salida sea menor o igual a una resistencia de carga mxima (RLmx),

la cual depende de los mismos parmetros del circuito y que exista una relacin determinada entre las

resistencias R1, R2, R3 y R4.

Fig. 5.1. Convertidor tensin-corriente

El valor de la resistencia mxima de carga (RLmx) que se puede colocar en el circuito antes de

que se pierda la linealidad es:

? ?2.5

23

1

23

2

??

???

??

???

RR

I

VRR

VccR

L

Lmx

La relacin entre las resistencias R1, R2, R3 y R4 es la siguiente:

? ?3.514

23

RR

RR

?

-15 V

+15 V

-

+

V1

V2

Vo

R1

R2

R3

R4

RL

VL


49

2.2. GENERADOR DE ONDA CUADRADA:

Este circuito genera una seal cuadrada peridica, de amplitud y frecuencia definidas por los

parmetros del circuito. Se dice que es un oscilador astable porque no posee un estado estable ya que la

seal cuadrada cambia continuamente de su valor de estado bajo a su valor de estado alto.

Al tener realimentacin positiva el A-Op funciona como comparador, es decir, que la salida (Vo)

slo puede presentar dos valores (+Vcc -Vcc). En el intervalo de tiempo en que la salida del A-Op (Vo)

est en estado alto (V +>V-), la tensin en el condensador (Vc) es menor que la tensin en el terminal no-

inversor. En estas condiciones el capacitor tiende a cargarse al voltaje de salida (+Vcc) a travs de la

resistencia (R) y eventualmente alcanzar el voltaje que existe en V+, el cual es una fraccin de la tensin

de salida (Vo), donde el factor es una relacin entre las resistencias R2 y R3, =R3/(R2+R3); esto

har que cambie la salida a estado bajo (-Vcc) ya que ahora V->V+, cuando esto sucede, el condensador

tiende a cargarse al nuevo voltaje de salida (-Vcc), para ello el capacitor se descarga a travs de las

resistencias R, R2 y R3, hasta que la tensin en el condensador sea menor que la tensin en el terminal

no-inversor, la salida cambie nuevamente a estado alto (+Vcc) y el proceso se reinicia.

Fig. 5.2. Generador de onda cuadrada

Analizando el circuito, se puede establecer la tensin en el condensador (Vc) en funcin del

tiempo como:

? ? ? ?4.5)( VccVccVcctVct

???????

?? ?

-15 V

+15 V

-

+

R

CR2

R3

Vo


50

donde:

?: Constante de tiempo del circuito. (s)

Vc(t): Voltaje en el condensador. (V)

: Relacin entre las resistencias R2 y R3. 32

3RR

R?

??

Vcc: Tensin de alimentacin del A-Op. (V)

Durante el periodo de carga, cuando la tensin en el condensador se hace igual a la tensin en el

terminal no -inversor, es decir, cuando Vc(t)= Vcc, la salida cambiar a estado bajo, si esto ocurre en un

instante denominado TON, el cual es el tiempo en el la salida permanece en estado alto, entonces:

? ?5.5???

????

????

??VccVccVccVcc

LnTON ??

?

En el caso contrario, en el periodo de descarga, cuando la tensin en el condensador se hace

igual a la tensin en el terminal no-inversor, es decir, cuando Vc(t)= -Vcc, la salida cambiar a estado

alto, si esto ocurre en un instante denominado TOFF, el cual es el tiempo en el la salida permanece en

estado bajo, entonces:

? ?6.5???

????

???

???

VccVccVccVcc

LnTOFF ??

?

2.3. DETECTOR DE VENTANA:

Es un circuito cuya funcin es determinar cuando una tensin de entrada se encuentra dentro de

un rango de tensin definido (Vref1 Vref2).

La salida baja del circuito indica que la entrada est dentro de una ventana de voltaje definida por

Vref1 Vref2. Estos dos valores fijan los niveles de tensin de referencia empleados.


51

Fig. 5.3. Detector de ventana

Partiendo de la condicin de que la tensin de referencia 2 (V ref2) es mayor que la tensin de

referencia 1 (Vref1), entonces: si la seal de entrada (Vi) es mayor que Vref2, en el A-Op superior, V+>V-,

esto hace que su salida sea alta (+Vcc), haciendo conducir al diodo 1 (D1) y originando una salida (VL)

aproximadamente igual a +Vcc. En el A-Op inferior V->V+, esto hace que su salida sea -Vcc, colocando

en inverso al diodo 2 (D2), haciendo que el A-Op inferior no contribuya a la salida (VL).

Si la seal de entrada es menor que la tensin de referencia 1 (Vref1), en el A-Op inferior V+>V-,

esto hace que su salida sea +Vcc, haciendo conducir al diodo 2 (D2) y originando en VL una salida

aproximadamente igual a +Vcc. En el A-Op superior V ->V+, esto hace que su salida sea -Vcc, colocando

en inverso al diodo 1 (D1), haciendo que el A-Op superior no contribuya a la salida (VL).

Si la seal de entrada se encuentra comprendida entre Vref1 y Vref2, en el A-Op superior V->V+,

esto hace que su salida sea -Vcc, colocando en inverso al diodo 1 (D1), haciendo que el A-Op superior no

contribuya a la salida (VL). En el A-Op inferior V->V+, esto hace que su salida sea -Vcc, colocando en

inverso al diodo 2 (D2) tambin. Como ambos operacionales no contribuyen a la salida (VL), la misma es

nula, debido a los circuitos abiertos de los dos diodos.

La Funcin de Transferencia de dicho circuito se muestra a continuacin:

-15 V

+15 V

-

+

-15 V

+15 V

-

+RL

Vi

Vref1

Vref2 D1

D2

VL


52

Fig. 5.4. Funcin de Transferencia del Detector de ventana

El circuito detecta, llevando a 0 V su salida (VL) cuando una seal de entrada (Vi) se encuentra

comprendida entre dos valores de tensin lmites (V ref1 Vref2).

3. PRELABORATORIO:

Para el circuito convertidor tensin-corriente de la figura 5.1 con: R1=680 ?, R2=1,2 K? ,

R3=1,8 K?, R4=1 K?, V1=15*Sen (wt) y V2=10*Sen (wt), determinar el valor y grfico de la corriente de

salida circulante por la carga (IL), as como el valor de resistencia mxima que se puede colocar en la

carga si la tensin de alimentacin es Vcc=15 V.

Para el circuito generador de onda cuadrada de la figura 5.2 con: R=10 K?, C=150 nF,

R2=2,2 K? y R3=3,3 K?, determinar las formas de onda de la tensin de salida (Vo), tensin en el

condensador (Vc) y frecuencia de oscilacin de dichas seales si la tensin de alimentacin es Vcc=15 V.

En el circuito detector de ventana de la figura 5.3 las tensiones de referencia son -5 V y +5 V y la

seal de entrada (Vi) es una onda senoidal Vi=15*Sen (wt). Definir los valores de la tensin de

alimentaci n dual (+Vcc y -Vcc) que deben introducirse para que el circuito funcione correctamente.

Graficar la seal de salida (Vo) y la Funcin de Transferencia del circuito.

Vi

Vo

Vref1 Vref2

Vcc


53



? Resistencias: (2) 10 K? , (1) 2,2 K? , (1) 3,3 K? , (1) 1,2 K? , (2) 1,5 K? , (1) 1 K? , (2) 680 ? y W

c/u.

? Condensadores: (1) 150 nF y 25 V.

? Diodos: (2) 1N4008 (o equivalente).

? Osciloscopio.



? Protoboard.

? Puntas de prueba.

? Cables.

5. PROCEDIMIENTO:



c. Colocar R3=1,2 K?, R2=1 K? y una resistencia de carga (RL) de 1 K? .

d. Aplicar las seales de entrada (V1 y V2) y los valores de resistencia R1 indicados en la tabla

siguiente.

Tensin entrada V1 (Vpico) 10 10 15

Tensin entrada V2 (Vpico) 5 5 5

Resistencia R1 (K? ) 1 1,2 1,2

Resistencia R4 (K? ) 1,2 1,5 1,5

Corriente de carga (mA)

e. Medir y graficar el valor de la corriente circulante por la carga (IL) para cada uno de los valores

sealados en la tabla.


54

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


55

a. Montar el circuito generador de onda cuadrada de la figura 5.2.


c. Colocar R=10 K?, C=150 nF, R2=2,2 K? y R3=3,3 K?.

d. Graficar la tensin de salida del circuito oscilador (Vo).

e. Medir el periodo (T) y la frecuencia (f) de la seal generada.

Periodo (s) Seal de salida (Vo)

Frecuencia (Hz)

f. Graficar el voltaje en el condensador de temporizacin (Vc).

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


56

g. Medir el periodo (T) y la frecuencia (f) de la seal generada.

Periodo (s) Voltaje en el condensador (Vc)

Frecuencia (Hz)

a. Montar el circuito detector de ventana de la figura 5.3.


c. Colocar una resistencia de carga (RL) de 1 K? .

d. Introducir una seal de entrada senoidal Vi=15*Sen (wt).

e. Aplicar las tensiones de referencia: Vref1=-5 V y V ref2=+5 V.

f. Graficar la seal de salida del circuito detector (Vo).

g. Llevar el control Time-Division a la posicin X-Y, colocar el canal 1 en la entrada (Vi) y el canal 2

en la salida (Vo).

h. Graficar la Funcin de Transferencia del circuito (Vo/Vi).

i. Medir el ancho en Voltios de la seal cuando sta se encuentra en nivel bajo (0 V).

Ancho de la seal en nivel bajo (V)

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


57

j. Repetir los pasos del e al i con las siguientes tensiones de referencia: Vref1=0 V y Vref2=+5 V.

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


58

Ancho de la seal en nivel bajo (V)



59

BIBLIOGRAFA

? FRANCO, Sergio. Diseo con Amplificadores Operacionales y circuitos integrados analgicos.

3ra edicin. McGraw -Hill. Mxico 2002.

? BOYLESTAD, Robert; Nashelsky, Louis. Electrnica: Teora de circuitos. 6ta edicin. Prentice

Hall. Mxico 1997.

? MALONEY, Timothy. Electrnica Industrial Dispositivos y Sistemas. Prentice Hall. Mxico 1983.

? BELOVE, Charles; Schilling, Donald. Circuitos electrnicos: Discretos e Integrados . Marcombo.

Espaa 1974.

? HALKIAS, Cristos; Millman, Jacob. Dispositivos y circuitos electrnicos. McGraw-Hill. Espaa

1972.

Practica Slab Oratorio i Ut Val

Documents

Transcript of Practica Slab Oratorio i Ut Val