VALENCIA, ENERO 2006cemartin/PracticasLaboratorioIUTVAL.pdf · 2007-02-12 · impedancia de entrada...

Realizado por: Prof. César Martínez Prof. Carlos Centeno

Prof. Dinorah Giménez Prof. César Peraza

VALENCIA, ENERO 2006

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA VALENCIA DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD LABORATORIO DE ELECTRÓNICA II

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PRÁCTICA 1 AMPLIFICADORES MULTIETAPA: AMPLIFICADOR DE DOS ETAPAS

1. OBJETIVOS:

1.1. OBJETIVO GENERAL:

? Analizar las características de los transistores BJT en configuración emisor común multietapa.

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

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

configuración emisor común multietapa.

? Medir las variables necesarias y calcular los parámetros más 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 teóricos con los determinados en el laboratorio.

2. TEORÍA:

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

desea amplificar la tensión 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 sólo

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

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

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

figura 1.1:

Fig. 1.1. Esquema de la conexión en cascada

ZLETAPA I ETAPA II

Zi

+

Vi1

-

+

Vo1

-

+

Vi2

-

+

Vo2

-

Zi1Zi2Zo1 Zo2


3

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

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

que esto determina las características de frecuencia del circuito y la estabilidad del punto de operación 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 configuración emisor común. Su comportamiento como etapas aisladas ya se

ha analizado.

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

no sufren alteración, pero al aplicar señal de entrada al circuito se espera que la señal de salida de la

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

no es así, 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 conexión en cascada acoplada con condensador

La ganancia de tensión (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 configuración emisor común se puede analizar tomando como punto de

partida el circuito típico amplificad or en dicha configuración, éste se muestra en la figura 1.3.

Fig. 1.3. Amplificador basado en BJT en configuración emisor común

2.1. ANÁLISIS EN REPOSO (DC):

El análisis 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 configuración emisor común

+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 señal


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 través 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 asumió, es decir, se

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

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

Con estos parámetros en DC calculados se define el punto de operación del circuito y además se

pueden hallar algunos otros parámetros utilizados en el análisis 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 tensión a la cual convergen

todas las curvas de la características de salida de un transistor en configuración emisor común,

gráficamente es:

Fig. 1.5. Curva característica de salida de un transistor y la definición del voltaje de Early

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

para pequeña señal, el modelo híbrido “p” y el modelo híbrido “h”. En este caso se estudiará el

amplificador en emisor común bajo el modelo híbrido “p”.

2.2. ANÁLISIS VARIACIONAL (AC):

El circuito equivalente para pequeña señal del amplificador es de la siguiente manera:

Fig. 1.6. Circuito equivalente de pequeña señal del amplificador en configuración emisor común

VA VCE

IC IB1

IB2

IB3

IB4

IB5

R1//R2

Q

AC

RsRc

Vo

Vs


7

El circuito analizado con el modelo híbrido “p” se presenta de la siguiente forma:

Fig. 1.7. Modelo de pequeña señal del amplificador en configuración emisor común

Entonces la ganancia de tensión del circuito es:

? ? ? ?11.1// RcorgViVo

AV mT ??

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

? ? ? ?12.1//2//1

//2//1//

?

?rRRRs

rRRRcormg

VsVo

TAV?

???

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 híbrido “h” se presenta de la siguiente forma:

Fig. 1.8. Modelo híbrido h de pequeña señal del amplificador en configuración emisor común

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 híbrido h, no es más que una red de dos puertos, en donde las variables de entrada

y salida son la tensión 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 variación de la tensión base-emisor con

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

? ?16.112

12

IbIbVbeVbe

IbVbe

hieCEQV ?

??

??

?

La ganancia inversa (hre) se define como la variación de la tensión base-emisor con la tensión

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 variación de la corriente de coector con la

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

? ?18.112

12

IbIb

IcIc

IbIc

hfeCEQV ?

??

??

?

Y por último, la admitancia de salida (hoe) se define como la variación de la corriente de colector

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

? ?19.112

12

VceVce

IcIc

VceIc

hoeBQI ?

??

??

?

Existe una relación muy importante asocia a los parámetros del modelo híbrido p con los

parámetros del modelo híbrido h, dichas relaciones son:

? ? ? ? ? ?22.121.11

20.1 hfergmhoeorhier ???? ??


9

3. PRELABORATORIO:

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

? Punto de operación de ambas etapas amplificadoras. Utilizar ß=40.

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

? Ganancia total de tensión 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 ½ W c/u.

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

? Potenciómetros: (1) 1 K? y ½ W.

? Osciloscopio.

? Generador de señales.

? Fuente de alimentación contínua.

? 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 operación de ambos transistores (Q1 y Q2) con el circuito desacoplado (switch

S1 abierto).

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

VCE (V)

IC (mA)

IB (uA)

c. Ajustar el generador de señales para obtener una señal senoidal en vacío (sin acoplarle el

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

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

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

sin distorsión en el terminal colector de Q1.

e. Observar, medir y calcular simultáneamente las señales 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 tensión de la primera etapa (AV1=Vo1/Vi1).

Ganancia de tensión [AV 1=Vo1/Vi1]

Desfasaje (º)

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 señales 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 tensión de la primera etapa

(AV1=Vo1/Vi1).

Ganancia de tensión [AV 1=Vo1/Vi1]

Desfasaje (º)

i. ¿Qué se observa en las señales 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 potenciómetro P1 para observar sin distorsión las señales

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 señales 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 tensión total del circuito multietapa

(AVT=Vo2/Vi1).

Ganancia de tensión [AV T=Vo2/Vi1]

Desfasaje (º)

m. Comparar los resultados obtenidos con los del Prelaboratorio.

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

circuito multietapa.

6. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


13

PRÁCTICA 2 AMPLIFICADORES DE POTENCIA: AMPLIFICADOR DE SIMETRÍA COMPLEMENTARIA PUSH-PULL

1. OBJETIVOS:


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


? Realizar el análisis variacional (AC) del amplificador de potencia de simetría complementaria

(Push-Pull).

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

potencia de simetría 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 simetría complementaria.

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

2. TEORÍA:

Hasta aquí se han estudiado amplificadores capaces de convertir señales de bajo nivel en

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

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

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

de estas cargas, los circuitos estarían condenados al mal funcionamiento, pues éstas presentan bajas

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

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

circuitos se les llaman comúnmente Amplificadores de Potencia.

En los amplificadores de pequeña señal, los principales factores que se tienen en cuenta son: la

magnitud de la ganancia de tensión y/o corriente y la linealidad de la amplificación. Debido a que este tipo

de amplificadores manejan tensiones y corrientes pequeñas, 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 señal, 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 características de los amplificadores de potencia son: la máxima potencia que

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

de salida.

En las etapas de pequeña señal, cada dispositivo no lineal se sustituye por su modelo lineal

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

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

puede representarse por un modelo lineal y el análisis del mismo debe hacerse gráficamente, usando las

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

a la aparición en la salida del dispositivo de componentes frecuenciales que no existen en la señal 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 tensión de salida. Esta clasificación representa

la cantidad que varía la señal de salida a lo largo de un ciclo de operación, para un ciclo completo de la

señal de entrada.

Específicamente en los amplificadores de potencia clase B, circula corriente a la carga en un sólo

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

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

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

prácticamente dejar al amplificador sin polarización.

Los amplificadores de potencia de simetría complementaria, denominados comúnmente

amplificadores Push-Pull, basan su configuración 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 configuración de estos dos transistores

en contraposición proporciona una mayor eficiencia de la que es posible con un sólo transistor en

operación clase A.


15

Fig. 2.1. Gráfico 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 típicas de un

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

CLASE A

CLASE B

SEÑAL DEENTRADA

CLASE AB

CLASE C

Vi

t

t

t

t

t

IL

IL

IL

IL

La corriente circula durante360º (un ciclo completo) paraun ciclo completo de la señal

de entrada

La corriente circula durante180º (un semiciclo) para un

ciclo completo de la señal deentrada

La corriente circula durante180º<IL<360º (más de un

semiciclo pero menos de unciclo completo) para un ciclo

completo de la señal deentrada

La corriente circula durante0º<IL<180º (menos de unsemiciclo) para un ciclocompleto de la señal de

entrada


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Fig. 2.2. Amplificador de simetría complementaria con dos alimentaciones

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

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

transistores son de tipo opuesto, conducirán en medíos ciclos opuestos de entrada; es decir, durante el

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

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

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

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

Fig. 2.3. Amplificador de simetría complementaria con una alimentación

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

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

también se emplea una sola fuente de alimentación, 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 alimentación entregue potencia a la carga en el semiciclo negativo de la señal 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, éste adquiere carga suficiente a través de dicho transistor. Cuando el transistor NPN se corta, la

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

Para el caso particular de la práctica se empleará el amplificador de simetría complementaria con

una alimentación.

2.1. POTENCIA DE ENTRADA (Pi):

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

? ? ? ?1.2IpromVccdcPi ??

donde Iprom es la corriente promedio de contínua que entregan las fuentes de alimentación. En operación

clase B, el consumo de corriente de una sola fuente de alimentación tiene la forma de una señal

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

una señal rectificada en media onda.

De cualquier forma, con una o dos fuentes de alimentación, 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 función en un intervalo determinado, es igual a la integral de la función evaluada en el

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

? ?? ??

?b

a

dxxfab

Vm 2.2)(1

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

de alimentación es de la forma de una señal rectificada en media onda o en onda completa, debido a esto

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

de alimentación es:

? ???

??

? 0

)(0

1dttSeniIprom pico

? ?3.22

picoiIprom ???


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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 características, 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 distorsión de Cross Over (cruce por cero), es decir, la no linealidad en la señal de salida; esto se

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

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

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


19

el emisor respectivamente. El gráfico que se muestra a continuación describe la distorsión originada en

un amplificador Push-Pull.

Fig. 2.4. Distorsión de Cross Over en un amplificador de simetría complementaria

3. PRELABORATORIO:

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

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

? Punto de operación de cada transistor. Utilizar ß=40.

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

? Potencia consumida por cada uno de los transistores.

? Gráfico de la tensión de salida en la carga del circuito amplificador.

t

VL

Distorsión de Cross Over


20

Fig. 2.5. Circuito amplificador de simetría complementaria con una sola alimentación


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

? Resistencias: (2) 10 K?, (2) 680 ? y ½ W c/u.

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

? Potenciómetros: (1) 1 K? y ½ 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


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5. PROCEDIMIENTO:


b. Aplicar la alimentación de contínua y sin conectar la señal (generador de funciones) medir el

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

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

VCE (V)

IC (mA)

IB (uA)

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

Variable Transistor 1 (Q1) Transistor 2 (Q2)

VB (V)

VE (V)

VBE(V)

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

conseguir una tensión en la carga sin distorsión. Observar Vi y VL simultáneamente. Medir y

dibujar ambas señales.

Canal A:

Canal B:

Volts/Div:

Time/Div:

Volts/Div:

Time/Div:


22

e. Con el valor medido de la tensión 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 alimentación.

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 señal de salida la distorsión de cruce por cero si se observa.

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

Variable

? (%)

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

l. ¿Cómo es la amplitud de la tensión VL con respecto a la amplitud de la tensión de base de cada

transistor?

m. Comparar los resultados obtenidos con los del Prelaboratorio.

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

circuito amplificador Push-Pull.


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24

PRÁCTICA 3 AMPLIFICADORES OPERACIONALES: CIRCUITOS BÁSICOS LINEALES

1. OBJETIVOS:


? Distinguir las características eléctricas de los amplificadores operacionales (A -Op’s) en

aplicaciones lineales (con realimentación negativa).


? Determinar teóricamente las tensiones de salida y las ganancias de tensión para cada uno de los

circuitos contenidos en la práctica.

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

de tensión, las variables Ganancia de Tensión (Av), Desfasaje (?), Ancho de Banda (B).

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

Integrador.

2. TEORÍA:

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 éstos realizan. Ahora se estudiará

el área 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

sólo dispositivo.

Un circuito integrado como el amplificador operacional se estudia como un sólo dispositivo, aún

cuando éste está constituido por miles de dispositivos. Esto significa que ahora interesa más lo que hace

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

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

su versatilidad, bajo costo, tamaño pequeño y eficiencia, se puede utilizar en una gran variedad de

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

y/o comparación. También se utilizan en circuitos, para realizar operaciones matemáticas, filtrado de

señales, conformación y generación de diversos tipos de ondas, conversión analógica/digital y

digital/analógica, etc.


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

directamente proporcional a la señal o señales de entrada. Para conformar un circuito lineal basado en un

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

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

se agrega dicha realimentación en el dispositivo, se origina lo que se denomina “Tierra Virtual”, debido a

que la tensión en el terminal inversor se hace prácticamente igual a la tensión en el terminal no-inversor

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

operacionales.

Entre los circuitos lineales básicos se encuentran: el amplificador inversor, el seguidor de tensión,

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

El circuito integrado µA741 es un amplificador operacional compensado en frecuencia, éste es

uno de los A-Op’s más comúnmente usados para aplicaciones generales, los bloques que conforman a

este circuito integrado son:

Fig. 3.1. Diagrama de bloques de un circuito integrado µA741

La etapa del amplificador diferencial de entrada se diseña en base a BJT’s o FET’s para

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

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

configuración emisor común para amplificar la señal de salida del circuito amplificador diferencial.

CIRCUITOS DE POLARIZACIÓN. ESPEJOS DECORRIENTE MÚLTIPLES FUENTES DE ALIMENTACIÓN

(Vcc Y Vee)

AMPLIFICADOR DIFERENCIALDE ENTRADA

AMPLIFICADOR DE ALTAGANANCIA

CIRCUITOS DERESTAURACIÓNDE NIVEL DE DC

ETAPA DE SALIDA

CARGA


26

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

producen la conexión en cascada de varias etapas amplificadoras. Los circuitos de polarización 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

máximos de tensión y corriente del A-Op. La configuración más 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 características más importantes de un amplificador operacional son:

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

? Alta impedancia de entrada (Ri).

? Baja impedancia de salida (Ro).

? Elevado ancho de banda (B).

? Elevada relación de rechazo en modo común (CMRR).

2.1. AMPLIFICADOR INVERSOR:

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

desfasada 180º con respecto a una señal de entrada (Vi) de acuerdo a la relación:

? ?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 señal de salida (Vo)

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

? ?2.311

2 ViRR

Vo ????

????

???

2.3. SEGUIDOR DE TENSIÓN:

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

señal de entrada (Vi), es decir:

? ?3.3ViVo ?

2.4. INTEGRADOR:

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

entrada (Vi), de acuerdo a la relación:

? ?4.31

0

dtViCR

Vot

??

?? ?

2.5. DERIVADOR:

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

entrada (Vi), de acuerdo a la relación:

? ?5.3dt

dViCRVo ????

3. PRELABORATORIO:

Investigar el significado y valor numérico de las siguientes características eléctricas del

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

Banda (Av*B), Relación de Rechazo en Modo Común (CMRR).


28

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

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

Av = 22.

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

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

¿Cómo haría para determinar la tensión máxima de entrada para que no haya distorsión a la

salida?

Fig. 3.3. Amplificador Inversor

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

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

Ganancia de tensión Av = 22.

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

ganancia de diseño 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 tensión mostrado en la figura 3.5 y suponiendo una señal de entrada

senoidal de 5 V pico, determinar:

? Tensión de salida del circuito (Vo).

? Ganancia del circuito amplificador (AV).

Fig. 3.5. Seguidor de tensión

Para el circuito Integrador mostrado en la figura 3.6 y suponiendo una señal 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 señal 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 ½ 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 diseñado para la figura 3.3.

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

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

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

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

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

-

+AC

C

R

Vo

Vi

+15 V

-15 V


31

Vi (V) Vo (V) Av T (º) B (Hz) Vimáx (V)

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

f. ¿Qué relación se encuentra entre la Ganancia de tensión y la tensión máxima de entrada?.

Amplificador No Inversor:

a. Montar el circuito diseñado para la figura 3.4.

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



Vi (V) Vo (V) Av T (º) B (Hz) Vimáx (V)

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

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

e. ¿Si la ganancia de diseño fuera Av=100, cuál sería 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 tensión:


b. Alimentar con una tensión dual de 15V al Amp-Op e introducir una señal 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 tensión de salida (Vo)

Ganancia de tensión (Vo/Vi)

Desfasaje (º)

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 tensión dual de 15V al Amp-Op e introducir una señal triangular de 1 V pico y

una frecuencia de 1 KHz.

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

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

Condensador C=68 nF Condensador C=150 nF

Valor pico tensión de salida (Vo)

Ganancia de tensión (Vo/Vi)

Desfasa je (º)

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 señal cuadrada de 1 V pico y una frecuencia de 100 Hz.

Aumentar lentamente la frecuencia hasta conseguir una señal lo más parecida posible a la

integral de la señal 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 ecuación matemática que describa el funcionamiento del circuito para estas últimas

condiciones.

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

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

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

PRÁCTICA 4 AMPLIFICADORES OPERACIONALES: CIRCUITOS BÁSICOS NO LINEALES

1. OBJETIVOS:


? Distinguir las características eléctricas de los amplificadores operacionales (A-Op’s) en lazo

abierto o con realimentación positiva.


? Determinar teóricamente las características eléctricas más relevantes para cada uno de los

circuitos contenidos en la práctica.

? Determinar la tensión de salida de un circuito comparador en configuración inversor y no-inversor.

? Determinar la tensión de salida y observar las características de transferencia de un circuito

comparador regenerativo “Schmitt Trigger”.

? Determinar la tensión de salida y observar las características de transferencia de un circuito

rectificador de onda completa de precisión.

2. TEORÍA:

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

proporcional a la señal o señales de entrada. Para conformar un circuito no lineal basado en un

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

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

dispositivo.

En ambos casos (lazo abierto o realimentación 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 Función de Transferencia del A-Op con una ganancia muy elevada, es decir, cualquier

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

o máximo negativo (V EE), introduciendo saturación en la salida del sistema y por lo tanto histéresis en la

salida.

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

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


37

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

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

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

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

inversor son iguales, la tensión de salida es cero, aunque este último caso es prácticamente imposible de

lograr debido a que por pequeña que sea la diferencia entre ambos terminales, siempre uno será 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 básicos se encuentran: el comparador no-inversor, el comparador

inversor, el comparad or regenerativo o “Schmitt Trigger”, el rectificador demedia onda de precisión y el

rectificador de onda completa de precisión, entre otros.

Las características más 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:

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

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

los niveles de tensión introducidos por ambos terminales, el resultado de dicha comparación 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 señales, pero éstas 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 señales de entrada que se

desean comparar y por lo tanto puede originarse una comparación inadecuada la cual produciría una

señal de salida no deseada. Otras veces, se desean transformar señales 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 característica de que cambia el nivel de tensión de referencia que se

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

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

que la Función de Transferencia del sistema exhiba una histéresis de la forma:

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

Vo

Vi

Vcc

VEE

VREF1VREF2

Ancho de la ventana de histéresis

-

+

Vi

Vref

R1

R2

-15 V

+15 V

Vo


39

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

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

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

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

comparador es menor que la señal 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 histéresis, realizando la resta de

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

de alto a bajo, es decir:

21tan REFREF VVavenAncho ??

? ? ? ?3.4tan EEVVccavenAncho ??? ?

También en la figura 4.2 se puede observar que la comparación dependerá de la pendiente de la

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

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

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

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

reconmutar en forma simple al comparador, ya que el punto de comparación 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 PRECISIÓN:

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

inferior a 0,7 V, hasta señales 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 señal de entrada (Vi), se observa que en el operacional superior

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

realimentación negativa en dicho operacional y colocándolo en configuración seguidor de tensión, 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+<V-, esto origina que la salida de este operacional sea –Vcc, esto

hace que D2 se encuentre en estado inverso, por ende, la salida de dicho operacional no contribuye a la

salida del rectificador.

Fig. 4.3. Rectificador de onda completa de presición

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

V+<V-, esto hace que la salida de éste sea –Vcc, haciendo que D2 se encuentre en estado inverso y por

lo tanto la salida de este operacional no incide en la salida del rectificador. En el operacional inferior se

observa que V+>V-, esto origina una salida en este operacional +Vcc, haciendo conducir a D1, quedando

este operacional con realimentación negativa en configuración amplificador inversor con ganancia R2/R1,

es decir, que si R2=R1, la salida del rectificador es igual a la entrada (VL=-Vi), y como en este semiciclo

los valores de la señal de entrada son negativos, la salida VL será positiva.

Debido al funcionamiento del circuito, la Función de Transferencia del mismo es igual al módulo

de la función de entrada (Vi), es decir:

-15 V

+15 V

-

+

-

+

-15 V

+15 V

Vi

R1 R2

D2

D1

RL

VL


41

Fig. 4.4. Función de Transferencia del rectificador de onda completa de presición

3. PRELABORATORIO:

Para el circuito comparador mostrado en la figura 4.5 determinar y graficar la tensión 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 tensión de salida del circuito, la Función de Transferencia y el ancho de la ventana de histéresis.

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

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

Vi

VL

-15 V

+15 V

-

+

V1

V2

Vo


42



? Resistencias: (2) 10 K? , (1) 22 K? y ½ W c/u.

? Potenciómetros: (2) 500K ? .

? Osciloscopio.



? Protoboard.

? Puntas de prueba.

? Cables.

5. PROCEDIMIENTO:


b. Alimentar el circuito con una alimentación 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 ó V2

V1 ó V2


43

Tensión entrada V1 (V) 0 0 5 5 -5 -5

Tensión 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 señal senoidal de entrada (Vi) de 5 V pico y 1 KHz.

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

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

del circuito.

f. Observar y dibujar la ventana de histéresis 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 histéresis utilizando el gráfico anterior.

Ancho de la ventana de histéresis (V)

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


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

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

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

del circuito.

f. Observar y dibujar la Función 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 señales de entrada (Vi) y salida (Vo).

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

del circuito.

j. Observar y dibujar la Función 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

PRÁCTICA 5 AMPLIFICADORES OPERACIONALES: APLICACIONES LINEALES Y NO LINEALES

1. OBJETIVOS:


? Analizar las características eléctricas de algunas de las aplicaciones típicas tanto lineales como

no-lineales de los amplificadores operacionales (A-Op’s).


? Determinar teóricamente las características eléctricas más relevantes para un circuito convertidor

V/I con conexión de carga a tierra y tensión de control diferencial.

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

conectada.

? Determinar teóricamente las características eléctricas de un circuito generador de onda cuadrada

u oscilador astable.

? Graficar la señal de salida (VL) y la tensión del condensador de temporización (Vc) de un circuito

generador de onda cuadrada u oscilador astable.

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

onda cuadrada.

? Determinar teóricamente las características eléctricas de un circuito detector de ventana.

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

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

2. TEORÍA:

Existen gran variedad de aplicaciones tanto lineales como no-lineales que utilizan A-Op’s para

resolver diferentes tipos de problemas que se presentan comúnmente como: generación de ondas,

detección, filtraje y conversión de señales, etc.

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

(ningún estado estable), el convertidor tensión corriente y el detector de ventana, éstos son los tres

circuitos que se estudiarán en esta práctica.


48

2.1. CONVERTIDOR TENSIÓN CORRIENTE:

Este circuito es un convertidor tensión corriente con conexión de carga a tierra y tensión de

control diferencial, el cual tiene como propósito convertir una tensión de entrada, la cual es diferencial, en

una corriente que es proporcional a la diferencia de las señales 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 función de conversión siempre y cuando se cumplan dos condiciones

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

la cual depende de los mismos parámetros del circuito y que exista una relación determinada entre las

resistencias R1, R2, R3 y R4.

Fig. 5.1. Convertidor tensión-corriente

El valor de la resistencia máxima de carga (RLmáx) 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

Lmáx

La relación 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 señal cuadrada periódica, de amplitud y frecuencia definidas por los

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

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

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

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

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

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

resistencia (R) y eventualmente alcanzará el voltaje que existe en V+, el cual es una fracción de la tensión

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

hará 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 través de las

resistencias R, R2 y R3, hasta que la tensión en el condensador sea menor que la tensión 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 tensión en el condensador (Vc) en función 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)

ß: Relación entre las resistencias R2 y R3. 32

3RR

R?

??

Vcc: Tensión de alimentación del A-Op. (V)

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

terminal no -inversor, es decir, cuando Vc(t)= ßVcc, la salida cambiará 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 tensión en el condensador se hace

igual a la tensión en el terminal no-inversor, es decir, cuando Vc(t)= -ßVcc, la salida cambiará 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 función es determinar cuando una tensión de entrada se encuentra dentro de

un rango de tensión definido (Vref1 – Vref2).

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

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


51

Fig. 5.3. Detector de ventana

Partiendo de la condición de que la tensión de referencia 2 (V ref2) es mayor que la tensión de

referencia 1 (Vref1), entonces: si la señal 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 señal de entrada es menor que la tensión 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 señal 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) también. Como ambos operacionales no contribuyen a la salida (VL), la misma es

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

La Función de Transferencia de dicho circuito se muestra a continuación:

-15 V

+15 V

-

+

-15 V

+15 V

-

+RL

Vi

Vref1

Vref2D1

D2

VL


52

Fig. 5.4. Función de Transferencia del Detector de ventana

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

comprendida entre dos valores de tensión límites (V ref1 – Vref2).

3. PRELABORATORIO:

Para el circuito convertidor tensión-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 gráfico de la corriente de

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

carga si la tensión de alimentación 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 tensión de salida (Vo), tensión en el

condensador (Vc) y frecuencia de oscilación de dichas señales si la tensión de alimentación 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

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

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

Graficar la señal de salida (Vo) y la Función 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 ½ 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 señales de entrada (V1 y V2) y los valores de resistencia R1 indicados en la tabla

siguiente.

Tensión entrada V1 (Vpico) 10 10 15

Tensión 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

señalados 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 tensión de salida del circuito oscilador (Vo).

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

Periodo (s) Señal de salida (Vo)

Frecuencia (Hz)

f. Graficar el voltaje en el condensador de temporización (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 señal 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 señal de entrada senoidal Vi=15*Sen (wt).

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

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

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

en la salida (Vo).

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

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

Ancho de la señal 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 señal en nivel bajo (V)



59

BIBLIOGRAFÍA

? FRANCO, Sergio. Diseño con Amplificadores Operacionales y circuitos integrados analógicos.

3ra edición. McGraw -Hill. México 2002.

? BOYLESTAD, Robert; Nashelsky, Louis. Electrónica: Teoría de circuitos. 6ta edición. Prentice

Hall. México 1997.

? MALONEY, Timothy. Electrónica Industrial Dispositivos y Sistemas. Prentice Hall. México 1983.

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

España 1974.

? HALKIAS, Cristos; Millman, Jacob. Dispositivos y circuitos electrónicos. McGraw-Hill. España

1972.

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