caracterizacion y comparacion de amplificadores operacionales

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI

REPORTE 1 PRACTICA DE LABORATORIO

MATERIA:

ELECTRONICA ANALOGICA III PROFESOR:

DR. ISMAEL LARA VELÁZQUEZ

ALUMNOS: HERVERT BAUTISTA JOSÉ DE JESÚS

MARTINEZ LEON OSCAR DANIEL ZUÑIGA GARCÍA EDWARD REYDECEL

UNIDAD I Circuitos básicos con amplificadores operacionales.

Caracterización y comparación de amplificadores operacionales. OBJETIVOS:

Identificar las características del amplificador operacional LM741. Instrumentar las configuraciones básicas no inversora e inversora. Aplicar las formulas para determinar la ganancia de salida de las

configuraciones no inversora e inversora. 19/MARZO/2012


REPORTE 1 PRÁCTICAS DE LABORATORIO

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1 INTRODUCCIÓN:

A lo largo del curso analizaremos diversos circuitos electrónicos basados en los amplificadores operacionales.

Los amplificadores operacionales también llamados “OP AMP” resultan ser los componentes diseñados para realizar diversas operaciones matemáticas en principio, luego con el avance, este componente reduce su tamaño haciendo versátil su manejo y económico para llegar al logro de las computadoras; con ello el cambio del mundo de la ciencia al realizar cálculos complejos difíciles o muy trabajosos para un ser humano todo en cuestión de segundos.

El inicio del curso será reconociendo las terminales del op amp, las diferentes configuraciones que implican su conexión con otros elementos ya conocidos como las resistencias, capacitores, diodos, etc. Para la primera practica se instrumentaran las configuraciones inversora y no inversora, además nos introduciremos en los términos de Slew Rate, frecuencia de corte y decibel.

2 OBJETIVOS:

Identificar las características del amplificador operacional LM741.

Instrumentar las configuraciones básicas no inversora e inversora.

Aplicar las formulas para determinar la ganancia de salida de las configuraciones no

inversora e inversora.

3 EQUIPO NECESARIO MATERIAL DE APOYO

Fuente simétrica [12V y -12 V].

Multímetro.

Generador de señales

Osciloscopio

LM741

Resistencias

Protoboard.

Caimanes.

Cable UTP

Pinzas

Cúter

2 Puntas para el osciloscopio

1 Punta para el generador de señales



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4 PROCEDIMIENTO

a). Configuración no inversor. Determinar los valores de R1 y R2 para tener una ganancia de 10, anote sus valores ideales, reales y experimentales.

Fig. 1 Amplificador no inversor.

Observando la configuración podemos darnos cuenta que hay una señal de entrada en la terminal positiva para la cual esperamos una señal de salida igualmente positiva amplificada a la ganancia definida por las resistencias R1 y R2. Ahora se muestra en la Fig. 2 la trayectoria de las corrientes.

Fig. 2 a) voltaje de entrada positivo, b) voltaje de entrada negativo.

El ejercicio nos pide diseñar el amplificador no inversor con ganancia de 10, para esto proponemos el valor de R2 = 10kΩ.

= 1kΩ

Ya obtuvimos R1 con valor de 1kΩ, ahora pasamos a la simulación para lo cual



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utilizaremos el Multisim 11 quedando el circuito siguiente:

Fig. 3 Circuito del amplificador no inversor en Multisim 11.

Al correr el simulador obtenemos las señales de entrada y salida, que al analizarlas podemos observar el canal de entrada A con una señal de 1 Vpp. El canal B de salida con una señal amplificada de aproximadamente 11 Vpp.

Fig. 4 Pantalla del programa Multisim 11 con la simulación del amplificador no inversor.

U1

741

3

2

4

7

6

51

R1

10kΩ

R2

1kΩ

V2

1 Vpk

1kHz

0°

VCC

12V

VDD

-12V

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _



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Aplicando la formula para obtener el voltaje de salida con las resistencias calculadas para obtener ganancia de 10.

Vsal=( 1 + )Vent

Vsal=( 1 + ) 1 V

Vsal=( 1 + 10)1 V

Vsal= 11 V

Con esto comprobamos la formula para la primera practica en configuración no inversora, para continuar comprobaremos la configuración inversora.

b). Configuración inversor.

Determinar los valores de R1 y R2 para tener una ganancia de 10, anote sus valores ideales, reales y experimentales.

Fig. 5 Amplificador en configuración inversora.

Para resolver el problema también nos solicita diseñar un amplificador con ganancia a 10, pero ahora observamos que la señal de entrada se dirige a la terminal inversora por lo cual nos hemos de esperar una señal con el sentido invertido a la señal de entrada.

Fig. 6 Egen se divide entre su propia resistencia interna y la resistencia de entrada del amplificador.



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Siguiendo el ejemplo del amplificador no inversor propusimos una resistencia grande para R2 100kΩ

= 10kΩ , Ganancia de voltaje G = ( - ) 1V = -10 V

Así obtenemos R1 con un valor de 10kΩ. Sustituyendo los valores en el circuito simulador queda de la siguiente manera.

Fig. 7 Configuración inversora en el simulador de Multisim 11.

A continuación se muestra las señales de entrada y salida del circuito corroborando que la señal de salida esta invertida con respecto a la entrada y además se amplifico de acuerdo a la ganancia calculada que fue de 10 obteniendo 10 Vpp de salida por 1 Vpp.

Fig. 8 Simulación del amplificador inversor.

U1

741

3

2

4

7

6

51

R1

100kΩ

R2

10kΩ

V2

1 Vpk

1kHz

0°

VCC

12V

VDD

-12VXSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _



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Como nos muestra la Fig. 8 los resultados calculados son demostrados en la simulación obteniendo un voltaje de salida negativo y aproximado al valor calculado.

c). Slew Rate

Medir la pendiente para tomar la ΔV usando el amplificador operacional 741, realice una tabulación y muestre la frecuencia de corte (3 dB) del amplificador operacional.

Por ultimo tenemos una configuración inversora con ganancia unitaria debido a que los valores de R1 y R2 son iguales, dando como resultado una β de 1. Lo cual comprobaremos aplicando la formula.

Ganancia de voltaje G = ( - ) 1V = -1 V

Fig. 9 Configuracion inversora y circuito hecho en multisim 11.

Entiendace al Slew Rate como la velocidad de respuesta observaremos como este factor afecta el funcionamiento de nuestro circuito al manejar una misma señal a un rango de frecuencias. Forzaremos al circuito aumentando la frecuencia hasta conseguir el desequilibrio de la señal de salida y apreciar la frecuencia de corte a 3 dB. A continuación se muestra la simulación.

Fig. 10 Circuito simulado a 5.5 kHz.

U1

741

3

2

4

7

6

51

R1

10kΩ

V2

1 Vpk

500kHz

0°

VCC

12V

VDD

-12V

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

R2

10kΩ

XBP1

IN OUT



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Vemos trabajar al circuito en el osciloscopio con una señal senoidal de 1 Vpp de entrada en el canal A, para la salida canal B vemos una señal senoidal de aprox -1 Vpp debido a la configuración inversora. Podemos ver como ambas señales entrada y salida trabajando a una frecuencia de 5.5 kHz., notamos su estado inverso que al cruzarse en cero ambas están en 180 grados, esto lo comparamos con la ventana llamada vista de graficador. La grafica tiene un eje “x” de la frecuencia y el eje “y” de fase que nos da una relación de estado de la señal con respecto a una frecuencia de trabajo.

De acuerdo a la explicación del Slew Rate en la sección anexos nos dice que el al aumentar la frecuencia la circuitería interna no alcanza a responder a la par con la señal de entrada, causando una respuesta en la señal distorsionada en el tiempo debido al efecto capacitivo que no alcanza a cargarse y descargarse a una velocidad para mantener en fase a la señal de salida.

Observaremos por medio del trazador de bode el alcance del espectro de frecuencias a las cuales el circuito se mantendrá trabajando en condiciones cercano a lo ideal en fase. Desplazaremos sobre la línea un barrido para encontrar la frecuencia de corte la cual se mostrara a una caída de -3 dB, justo en esta frecuencia notaremos como el circuito entra en desequilibrio, distorsionándose la señal de salida.

Fig.11 Simulación a 490 kHz.

La traza de bode nos da una aproximación que a 490kHz hay una caída de -3 dB que no es mas que un circuito forzado a responder con respecto a la señal de entrada pero este no alcanza a seguirla. Vemos las señales como se han desfasado aproximadamente 45 grados respecto una de la otra.



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Además la señal de salida se ha empezado a deformar, así mismo se acentúa al continuar aumentando la frecuencia a la entrada. Para finalizar aumentaremos la frecuencia hasta encontrarnos a una frecuencia de corte a -20 dB.

Fig. 12 Simulación a 5.2 MHz.

Con esto se demuestra por medio de la simulación como seria el trabajo de un circuito afectado por la frecuencia. Es de verse como la señal de salida se ha distorsionado totalmente y su desplazamiento se ve recorrido en casi la mitad.



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5 CONCLUSIONES

El diseño de circuitos básicos con amplificadores operacionales requiere de una comprensión de conceptos como: saturación, frecuencia, ancho de banda, decibel, etc. Así, como el de tener presentes los métodos de análisis para la determinación de ganancias. Pudimos realizar la comprobación de dos configuraciones para el amplificador inversor y no inversor para las cuales solo introducíamos una señal de entrada esperando una salida que era calculada por formulas ya fijas, no hubo una dificultad mayor; pero no así para el tercer ejercicio para el cual observamos con un circuito sencillo se veía afectado en su comportamiento causado por el factor de la velocidad de respuesta del circuito. En esta parte nos dificulto en principio entender la respuesta que se vería a la salida pero gracias a la intervención del profesor nos mostro por medio de la función del trazador de bode en el simulador cuales serian los puntos de trabajo para un circuito si lo configurábamos a x o y frecuencia, explicándonos como se distorsionaría la señal de salida si forzamos a nuestro circuito amplificador a trabajar mas haya de sus capacidades.

6 BIBLIOGRAFIA

Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, 5 edición, Robert F. Coughlin y Frederick F. Driscoll, editorial Prentice Hall pag. 45,56,275-281.

Dispositivos electrónicos y amplificación de señales, traducido de la primera edición en ingles, Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith, editorial McGraw-Hil, pag. 74, 82.

Analisis de circuitos en ingeniria, 7 edicion, William H. Hayt, Jr., Jack E. Kemmerly, Steven M. Durbin, editorial McGraw-Hil, pag. 173-177.



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7 CONCEPTOS GENERALES

Amplificador operacional: el amplificador operacional 741 se ha estado utilizando durante muchos años y, es aun un excelente dispositivo para iniciar el estudio de los amplificadores operacionales, ya que no resulta caro, es resistente y se consigue fácilmente. El símbolo del amplificador operacional es

Fig. 13 Símbolo del amplificador operacional. La numeración de las terminales corresponde al paquete

miniDIP de 8 terminales.

Frecuencia de corte: es el punto donde la señal ha sido atenuada 3 dB. El amplificador operacional real no tiene ganancia infinita y tampoco tiene ancho de banda infinito. En los amplificadores reales, el ancho de banda comienza en la frecuencia cero y llega hasta la frecuencia de corte superior Fc (frecuencia a la cual la ganancia disminuye en 3 dB), esta frecuencia de corte depende del tipo de amplificador operacional y de la ganancia a la cual se esta trabajando cuando el amplificador es realimentado.

Fig. 14 Respuesta en frecuencia del amplificador operacional (curva de lazo abierto).

Tanto los amplificadores operacionales de propósito general como los especializados están compensados internamente; es decir, el fabricante ha instalado dentro de dichos dispositivos un pequeño capacitor, generalmente de 30 picofarads, pF. Este capacitor de compensación interna de frecuencia impide que el amplificador operacional oscile a altas frecuencias. Las oscilaciones se evitan disminuyendo la ganancia del amplificador operacional conforme aumenta la frecuencia.



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De acuerdo con la teoría básica de circuitos, la reactancia de un capacitor disminuye

conforme aumenta la frecuencia: Xc= 1/(2 fC). Por ejemplo, si la frecuencia se incremente en 10, la reactancia del capacitor disminuye en 10. Por lo tanto, no es accidental que la ganancia de voltaje de un amplificador operacional disminuya a la decima parte conforme la frecuencia de la señal de entrada aumenta en 10. A un cambio de frecuencia por un factor de 10 se le conoce como década. Curva de respuesta en frecuencia En la fig se muestra la curva característica correspondiente a amplificadores operacionales compensados internamente, como el caso del 741. A bajas frecuencias (debajo de 0.1 Hz), la ganancia en lazo abierto es muy alta. Un valor común es de 200,000 (106 dB) y este valor es el que se especifica en las hojas de datos en la que no esta presente una curva. Observe que la ganancia de voltaje para gran señal es de 200,000. En cambio, la ganancia en lazo abierto del OP-77 es de 140 dB o 10, 000,000. El punto A de la fig. señala donde se encuentra la frecuencia de corte y donde la ganancia de voltaje de 0.707 veces su valor a frecuencias muy bajas Por lo tanto, la ganancia de voltaje en el punto A (en el que la frecuencia de Ed es de 5 Hz)

Fig. 15 Ganancia de voltaje en lazo abierto de un amplificador operacional

741 en función de la frecuencia.

Los punto C y D muestran como la ganancia decae en un factor de 10 conforme la frecuey ncia se eleva por un factor también de 10.El eje vertical a la derecha muestra la grafica de ganancia de voltaje en decibeles (dB). La ganancia de voltaje disminuye 20 dB para un incremento en la frecuencia de una década. Decibel: generalmente, el análisis en frecuencia de un amplificador se realiza sobre un



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rango muy variable de valores de frecuencia. Para facilitar su caractirizacion se utiliza escalas logarítmicas en términos de decibelio. Inicialmente, el decibelio tuvo su origen para establecer una relación entre potencia y niveles de audio en escala logarítmica. Asi, un incremento de nivel de potencia, por ejemplo de 4 a 16 W, no corresponde con un nivel de audio multiplicado por un factor de 4 (14,4), si no de 2 puesto que (4)2. La difinicion de bel, cuyo nombre se debe a Alezander Graham Bell, relativa a dos niveles de potencia P1 y P2 es

G = log10

El bel es una unidad demasiado grande y para aplicaciones practicas se utiliza el termino decibelio (dB) definido como 1 dB=0.1 bel o

GdB = 10 log10

Existe una segunda definición del decibelio aplicada mas frecuente que opera sobre tensiones en vez de potencias.

Fig. 16 Tabla de conversión a dB.

Slew Rate (rapidez de respuesta o velocidad de respuesta: Dentro del amplificador operacional de propósito general hay por lo menos un capacitor que es necesario para evitar la oscilación llamados de “compensación interna de frecuencia”. Este capacitor esta conectado a la parte de los circuitos internos del amplificador operacional que proporciona una corriente máxima restringida por el propio diseño del amplificador operacional. La relación entre la corriente máxima, I, y la capacidad del capacitor de compensación, C, es la velocidad de respuesta. Por ejemplo, un 741 puede suministrar un máximo de 15 µA al capacitor de compensación de 30 pF. Por lo tanto,

Velocidad de respuesta = = = = 0.5

De la ecuación se desprender que para una velocidad de respuesta mayor es necesario



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que el amplificador operacional tenga ya sea una corriente máxima mas alta o un capacitor de compensación mas pequeño. A los amplificadores operacionales que tienen velocidad de respuesta mayor a 10º V/µs se los conoce como amplificadores operacionales de alta velocidad. Existen amplificadores operacionales cuyas velocidades de respuesta son mayores a 1000V/µs utilizados en aplicaciones especiales como los sistemas de video.



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8 ANEXOS



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caracterizacion y comparacion de amplificadores operacionales

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