caracteristicas de un amplificador operacional
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Voltaje de offsetSlew rateCMRRTRANSCRIPT
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FACULTAD DE INGENIERA
DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA
EXPERIENCIA 01: PARMETROS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
ELECTRNICA II
SIMN MARTNEZ ROZAS
ISRAEL MUOZ GARCA
Antofagasta, 13 Mayo de 2015
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NDICE
Introduccin .3
Objetivos. ............5
Materiales utilizados. ..5
Desarrollo experimental. 6
Resultados 15
Conclusiones. .18
Bibliografa. 19
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INTRODUCCIN
Los amplificadores operacionales son dispositivos
electrnicos que amplifican seales con una gran ganancia, tpicamente del orden
de 10^5 10^6 veces.
Las primeras veces que se utilizaron los amplificadores operacionales fue
en los computadores analgicos y realizaban sumas, diferencias, multiplicacin,
diferenciacin e integracin.
Las caractersticas principales de un operacional son:
1. La impedancia de entrada es muy alta, del orden de megohms.
2. La impedancia de salida Zo es muy baja, del orden de 1 ohm
3. Las entradas apenas drenan corriente, por lo que no suponen una carga.
4. La ganancia es muy alta, del orden de 10^5 y mayor.
5. En lazo cerrado, las entradas inversora y no inversora son prcticamente
iguales.
Voltaje de offset. Es un voltaje presente en la salida del amplificador an
cuando los voltajes de las dos entradas sean cero. Este efecto es causado por el
ruido que el amplificador operacional amplifica y lo presenta a la salida del mismo.
Este voltaje lo especifica el fabricante y se puede determinar, ya que el producto de
el voltaje de desvo con la ganancia establecida ser mostrado en la salida, tambin
lo puede generar aquellas variaciones de polarizacin del OP-AM.
El amplificador 741 posee dos pins disponibles para realizar esto. Estos pins (1 y 5)
internamente estn conectados a las entradas del amplificador diferencial. Debido
a que los cambios de temperatura hacen cambiar el offset, se hace necesario estar
calibrando este valor constantemente, lo cual es una desventaja, ya que es un
proceso montono y muy variable.
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Una de las limitaciones prcticas del op-amp es que las corrientes de
polarizacin de las dos entradas pueden ser ligeramente diferentes. A pesar de que
las entradas estn diseadas para ser simtricas, ligeras diferencias que se
producen en el proceso de fabricacin, pueden dar lugar a corrientes de polarizacin
ligeramente diferentes. Esta diferencia de corriente (offset), normalmente es del
orden de una dcima parte de la corriente de polarizacin de entrada. En el caso
del 741 suele ser 10 nA.
El slew-rate es la velocidad de variacin a la salida, y son valores tpicos de
1V/ms a 10V/ms. Su principal afecto es limitar el ancho de banda de seales
grandes.
Relacin de rechazo en modo comn CMRR (Common mode rejection ratio).
En un A.O. ideal la salida es proporcional a la diferencia entre las seales de
entrada, siendo sta nula cuando el valor de ambas entradas es igual. En un A.O.
real esto no se cumple exactamente, y entre dos pares de tensiones que mantengan
la misma diferencia, la salida puede ser algo mayor en el caso de tensiones
superiores. La CMRR es el cociente entre la amplificacin diferencial y la de modo
comn; y cuanto mayor sea, ms se acercar al caso ideal.
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OBJETIVOS
Determinar experimentalmente caractersticas del amplificador operacional de:
Voltaje de entrada offset
Corrientes de polarizacin de entrada
Razn de crecimiento del voltaje de salida
Razn de rechazo de modo comn
Producto ganancia-ancho de banda
MATERIAL
Amplificador operacional 741
2 resistencias 100k
1 resistencia 1 M
1 resistencia 1 k
2 resistencias 10 k
2 resistencias 100
1 resistencia 4,7 k
1 potencimetro de 10 k
Entrenador de laboratorio
Generador de funciones
Osciloscopio
Multmetro
Alicatas
Extensin
Cable
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DESARROLLO EXPERIMENTAL
Experimento N1.- Determinar el voltaje de entrada offset de un amplificador
operacional (741) y tratar de minimizar sus efectos.
Diagrama Esquemtico.-
R1 100K
R2 1 M
VOS
Condiciones bsicas del diseo.-
Ganancia de lazo cerrado : 1
2
R
RACL
Voltaje de entrada offset : CL
OSoi
A
VV
Pasos del experimento.-
1. Arme el circuito mostrado en el diagrama esquemtico. Conecte la fuente de
alimentacin a los terminales correctos del circuito amplificador (pin 7
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terminal de polarizacin positivo, +15 volts C.C. y pin 4 terminal de
polarizacin negativo, -15 volts C.C.).
2. Energice su entrenador de laboratorio y con un vltmetro digital, mida el
voltaje de salida, VOS y anote su resultado.
3. Determine el voltaje de entrada offset. Compare con el valor tpico de la hoja
de servicio de un amp-op 741.
4. Para anular o disminuir el efecto del voltaje de salida VOS, debido a un voltaje
de entrada offset, conecte los terminales fijos de un potencimetro de 10
Kohms a los pines 1 y 5 del amp-op 741 (offset null) respectivamente. A
continuacin, conecte el terminal variable del potencimetro al potencial
negativo de la fuente de polarizacin, -15 volts c.c., a travs de una
resistencia de 1 Kohms. Mida VOS, si esta lectura es distinta de 0 volts, vare
lentamente el cursor variable del potencimetro hasta lograr que la lectura de
VOS se aproxime los ms cercano a 0 volts c.c., no vuelva a mover el cursor.
Bajo esta forma, es posible con el amp-op 741 anular el efecto del voltaje de
entrada offset. Para un ajuste ms fino del voltaje entrada offset, cortocircuite
la resistencia de 1Kohms y vuelva a medir el valor de VOS. Anote este valor.
5. Corte la energa de alimentacin al circuito del experimento, ste ha
terminado.
Experimento N2.- Medir las corrientes de entrada de polarizacin.
Diagrama Esquemtico.-
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R1 100K
R2 1 M
R3 100 K
A
B
Condiciones bsicas del diseo.-
Corrientes de polarizacin de entrada : 11
R
VI AB
32
R
VI BB
Pasos del experimento.-
1. Arme el circuito mostrado en el diagrama esquemtico. Conecte la fuente de
alimentacin a los terminales correctos del circuito amplificador (pin 7
terminal de polarizacin positivo, +15 volts C.C. y pin 4 terminal de
polarizacin negativo, -15 volts C.C.).
2. Energice su entrenador de laboratorio. Mida el voltaje a travs de la
resistencia R1(VA), anote su resultado. Luego, mida el voltaje a travs de
R3(VB), anote su resultado.
3. Con las ecuaciones de condiciones bsicas de diseo y los valores de voltaje
obtenidos en el punto 2, determine el valor de las corrientes de entrada de
polarizacin, IB1 e IB2. Para el amp-op, idealmente ambas deben ser iguales,
sin embargo en la realidad ambas no lo son. Saque el valor promedio entre
ambas corrientes y anote su resultado como IB PROMEDIO. Compare con el
valor tpico de la hoja de servicio de un amp-op 741.
4. Corte la energa de alimentacin al circuito del experimento, ste ha
terminado.
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Experimento N3.- Medir la razn de crecimiento del voltaje de salida en funcin
del tiempo que toma en hacerlo (slew-rate).
Diagrama Esquemtico.-
R1 10K
R2 10 K
VOVi
Condiciones bsicas del diseo.-
Slew-rate : t
V
Pasos del experimento.-
1. Arme el circuito mostrado en el diagrama esquemtico. Conecte la fuente de
alimentacin a los terminales correctos del circuito amplificador (pin 7
terminal de polarizacin positivo, +15 volts C.C. y pin 4 terminal de
polarizacin negativo, -15 volts C.C.).
2. Energice su entrenador de laboratorio. Aplique como seal de entrada, una
de forma cuadrada de 5 volts p.p. y una frecuencia de 10 Khz.
3. Mida el voltaje p.p. de la forma de onda de salida observada en el pin 6 del
amp-op y antelo como V .
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4. Mida en el flanco de subida de la forma de onda de salida, el tiempo que
demora esta seal en ir desde un valor mnimo a uno mximo, anote este
valor como t .
5. Con los resultados de los puntos 3 y 4 y las condiciones bsicas del diseo,
calcule el valor del slew-rate. Compare con el valor tpico de la hoja de
servicio de un amp-op 741.
6. Corte la energa de alimentacin al circuito del experimento, ste ha
terminado.
Experimento N4.- Determinar la razn de rechazo de modo comn, CMRR de un
amp-op 741.
Diagrama Esquemtico.-
R1 100
R2 100 K
R4 100 KR3 100
Vi(CM) Vo(CM)
Condiciones bsicas del diseo.-
Ganancia diferencial : 1
2
R
RAd
3
4
R
RAd
Ganancia de modo comn : )(
)(
cmi
cmo
CMV
VA
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Razn de rechazo de modo comn : CM
d
A
AdBCMRR 10log20)(
Pasos del experimento.-
1. Arme el circuito mostrado en el diagrama esquemtico. Conecte la fuente de
alimentacin a los terminales correctos del circuito amplificador (pin 7
terminal de polarizacin positivo, +15 volts C.C. y pin 4 terminal de
polarizacin negativo, -15 volts C.C.).
2. Aplique la energa a su entrenador de laboratorio. Ajuste como seal de
entrada, )(cmiV
, una forma sinusoidal de 2 volts rms y a una frecuencia de
100 Hz.
3. Mida el correspondiente voltaje de salida de modo comn del amplificador,
)(cmoV , anote este valor.
4. A partir de las condiciones bsicas de diseo, determine el valor de CMA
y
con los componentes del circuito, el valor de dA
. Finalmente, proceda a
calcular el valor de CMRR en decibeles y comprelo con el valor tpico de la
hoja de servicio de un amp-op 741.
7. Corte la energa de alimentacin al circuito del experimento, ste ha
terminado.
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Experimento N5.- Determinar la respuesta en lazo cerrado de un amp-op 741
mediante el clculo del producto Ganancia-Ancho de Banda (GPB).
Diagrama Esquemtico.-
R1 10K
R2 10 K
VOVi
Condiciones bsicas del diseo.-
Producto Ganancia-Ancho de Banda (GBP) : ))(( BWAGBP v
1
2
R
RAv
opampdelBandaAnchoBW ___
Pasos del experimento.-
1. Arme el circuito mostrado en el diagrama esquemtico. Conecte la fuente de
alimentacin a los terminales correctos del circuito amplificador ( pin 7
terminal de polarizacin positivo, +15 volts C.C. y pin 4 terminal de
polarizacin negativo, -15 volts C.C.).
2. Aplique la energa a su entrenador de laboratorio. Ajuste como seal de
entrada, iV
, una forma sinusoidal de 0.7 volts p.p. con una frecuencia de 1
Khz. Verifique y anote el voltaje p.p. de salida oV
.
3. Mantenga constante el valor de voltaje de entrada y vare lentamente la
frecuencia de la seal de entrada a valores mayores que 1 Khz. Mida el valor
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de voltaje de la seal en oV
, cuando sta disminuya a un valor de 0.5 volts
p.p., anote el valor de la frecuencia de la seal como )0.1( vABW . Este es
el ancho de banda del amp-op cuando la ganancia de voltaje es 1.0. La
respuesta de frecuencia es ahora un factor 0.707 veces menor que a bajas
frecuencias o frecuencias c.c. y su equivalente es 3dB.
4. Calcule el valor del GPB y anote su valor.
5. Cambie el valor de R1 a 5 Kohms y el nivel de la seal de entrada iV
tal que
a la salida del circuito oV
se observe una salida de 2.0 volts p.p. La frecuencia
de la seal de entrada nuevamente debe estar a 1 Khz. Verifique y anote el
voltaje p.p. de salida oV
.
6. Mantenga constante el voltaje de entrada anterior y vare lentamente la
frecuencia de la seal de entrada a valores mayores que 1 Khz. Mida el valor
de la frecuencia de la seal en oV
cuando esta disminuya a un valor de 1.4
volts p.p., anote el valor de la frecuencia de la seal como )0.2( vABW . Este
es el ancho de banda del amp-op cuando la ganancia de voltaje es 2.0. La
respuesta de frecuencia es ahora un factor 0.707 veces menor que a bajas
frecuencias o frecuencias c.c. y su equivalente es 3dB.
7. Calcule el valor del GPB y anote su valor.
8. Cambie el valor de R1 a 1 Kohms y el nivel de la seal de entrada iV
tal que
a la salida del circuito oV
se observe una salida de 10.0 volts p.p. La
frecuencia de la seal de entrada nuevamente debe estar a 1 Khz. Verifique
y anote el voltaje p.p. de salida oV
.
9. Mantenga constante el valor del voltaje de entrada y vare lentamente la
frecuencia de la seal de entrada a valores mayores que 1 Khz. Mida el valor
de la frecuencia de la seal en oV
cuando esta disminuya a un valor de 7.0
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volts p.p., anote el valor de la frecuencia de la seal como )10( vABW . Este
el el ancho de banda del amp-op cuando la ganancia de voltaje es 10. La
respuesta de frecuencia es ahora un factor 0.707 veces menor que a bajas
frecuencias o frecuencias c.c. y su equivalente es 3dB.
10. Calcule el valor del GPB y anote su valor.
11. Compare los tres valores de GPB medidos para las diferentes ganancias en
el circuito. Verifique cual es el porcentaje de diferencia que existe entre los
tres GPB.
12. Corte la energa de alimentacin al circuito del experimento, ste ha
terminado.
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RESULTADOS
EXPERIENCIA 1.
Tabla 1. Resultados primer experiencia
Voltaje sin
potencimetro
(mV)
Voltaje al
conectar
potencimetro
(mV)
Voltaje ajustado de
salida offset (mV)
Voltaje con
potencimetro
ms
cortocircuito
(mV)
34 56,7 0,01 -20,5
Comparacin
Voltaje tpico = 2mV
Voltaje calculado = CL
OSoi
A
VV =
34
10= 3,4
EXPERIENCIA 2.
Tabla 2. Resultados de la segunda experiencia
VA (mV) VB (mV) IB1 (nA) IB2 (nA)
1,0 2,0 10 20
Las corrientes IB1 e IB2 fueron calculadas ya que el multmetro no mide corrientes tan
pequeas.
Comparacin:
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IBprom = 1,5 nA
IBtip = 80 nA
EXPERIENCIA 3.
Tabla 3. Resultados de la tercera experiencia
V (V) t (s) Slew-rate (V/ s)
5,2 10 0,52
Comparacin
Slew-rate calculado = 0,52 V/ s
Slew-rate tpico = 0,5 V/s
EXPERIENCIA 4
Tabla 4. Resultados de la cuarta experiencia
Vi(cm) Vo(cm) Acm Ad1 Ad2 CMRR (db)
2 vrms 180mv 0,09 1000 1000 80,91
Comparacin:
CMRR calculado = 80,91 dB
CMRR tpico = 70 90 dB
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EXPERIENCIA 5.
Tabla 5. Resultados de la quinta experiencia
R1=10 k; Av = 1
Vi (vpp) Vo (vpp) BW (KHz) GBP
0,7 0,496 356 356
R1 = 5k; Av=2
1 2 145 290
R1= 1k; Av= 10
1 10 32 320
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CONCLUSIONES
Es importante conocer los parmetros del amplificador operacional, ya que
hay algunos factores limitan operaciones o por ejemplo en el voltaje de entrada
offset que es necesario minimizarlo ya que a la salida puede amplificar componentes
que no pertenezcan a la seal original.
De la tabla 2 podemos observar que la corriente de polarizacin promedio
se encuentra por debajo del valor tpico del amp-op 741, lo que indica que
tendremos un valor bajo de corriente de offset y por lo tanto no causar ruido al
amplificar una seal.
De la tabla 3 podemos observar que el valor de slew rate es casi igual al valor
tpico asi que se puede decir que est en el rango normal en que el amp-op. se
tarda en cambiar el voltaje de salida.
De acuerdo a la tabla 4 se encuentra un CMRR adecuado ya que est dentro
del rango mnimo y el tpico del amp-op.
De la tabla 5, al comparar los valores de ganancia-ancho de banda nos
damos cuenta que cuando se tiene una ganancia de 1 es cuando existe un mayor
ancho de banda para trabajar con la seal. Aunque lo que se quiere es amplificar la
seal as que nos interesa mucho la ganancia de 10 y se tiene tambin un buen
rango para trabajar con la seal.
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BIBLIOGRAFA.
Diapositivas de la materia: Jorge Gianotti H.
Manual ECG.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electronic/a741p.html
http://www.angelfire.com/electronic2/xarlos/Electronica3/dos/voffset.htm
http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Amplificador-operacional-ideal.html