UNIVERSIDAD DIEGO PORTALES Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Industrial Electrónica y Electrotecnia

Experiencia Nº3 Amplificadores Operacionales

Autores: Sergio Carmona Felipe Haro José Luis Peralta Cristóbal Valdivieso

Objetivos

Comprender mediante el análisis práctico las características y el funcionamiento de los amplificadores operacionales. Comparar los resultados obtenidos de forma empírica con los obtenidos a través de la simulación computacional.

SEGURIDAD FRENTE AL TRABAJO CON ELECTRICIDAD

ASPECTOS GENERALES Cuando se trabaja en un laboratorio eléctrico o cuando se emplean equipos eléctricos o simplemente se trabaja con electricidad, el seguir las precauciones adecuadas de seguridad es más o tan importante que llevar a cabo mediciones exactas. • Existen peligros potencialmente mortales en ambientes de laboratorio eléctrico, y si

no se siguen con cuidado procedimientos de seguridad, se puede ocasionar que una persona o su compañero sea víctima de un accidente serio.

• El peligro más común y más serio en laboratorios eléctricos es el choque eléctrico o golpe de corriente.

• Un aspecto fundamental del choque o golpe eléctrico que puede ser letal está en función de la cantidad de corriente que pasa a través del cuerpo humano y del tiempo de aplicación. No depende tan solo del valor del voltaje aplicado. Puede ser tan mortal un choque de 100,0 Voltios como uno de 1.000,0 Voltios.

SIN LUGAR A DUDAS, LA SEGURIDAD SE DEBE TENER SIEMPRE PRESENTE POR PARTE DE TODAS AQUELLAS

PERSONAS QUE POR CUALQUIER RAZÓN REQUIERAN UTILIZAR ELECTRICIDAD EN FORMA APLICADA.

EFECTO DE LA CORRIENTE APLICADA AL SER HUMANO La severidad de un choque eléctrico en un ser humano varía con la edad, sexo y condición física. Sin embargo, en general el nivel de corriente necesario para ocasionar la muerte a cualquier ser humano es notablemente bajo. • El umbral de percepción de corriente en la mayoría de los seres humanos es de 1

mili Ampére (1 mA). • Corrientes entre 1 mA y 5 mA se sienten con mayor intensidad pero por lo general

no producen un dolor intenso. El peligro que existe en esta intensidad es debido a la reacción de sorpresa que genera en el ser humano y que lo hace “moverse” a lugares potencialmente de mayor peligro.

• Corrientes mayores a 5 mA y menores a 100 mA producen en el cuerpo contracciones musculares involuntarias de gran dolor y puede eventualmente ocasionar la muerte puesto que la persona queda sin poder soltar el conductor eléctrico.

• Corrientes mayores a 100 mA producen interferencia con el movimiento coordinado del corazón ocasionando lo que se llama fibrilación cardíaca, que detiene el bombeo de sangre al cuerpo humano y sobreviene la muerte en cuestión de minutos si no se detiene dicho proceso.

• Corrientes superiores a 300 mA las contracciones musculares son extremadamente intensas lo que ”evita” la fibrilación. Si se detiene el choque por medio del método de aplicar rápidamente grandes pulsos de corriente, es posible que el corazón reanude su función normal. Sin embargo, se puede detener la respiración (se debe realizar respiración artificial) y la persona queda con quemaduras intensas.

RECOMENDACIONES Y CUIDADOS El mejor método de evitar accidentes es reconocer sus causas y apegarse a los procedimientos de seguridad establecidos. ♦ Uso y aplicación de equipos ordinarios con conexiones correctas a tierra de

seguridad y protecciones eléctricas adecuadas. ♦ Evitar el uso de cables o conductores desnudos ó con algún deterioro ó defecto.

Siempre desconectar la corriente al iniciar una experiencia eléctrica. ♦ Evitar trabajar solo. ♦ Nunca operar equipos con humedad en las manos ó en el piso. Usar siempre zapatos

secos. ♦ Siempre conectar al FINAL, el cable ó la punta de prueba al potencial alto ó “vivo”.

PRIMEROS AUXILIOS ♦ Tratar de desconectar a la víctima del equipo ó conductor sin colocarse uno mismo

en peligro. ♦ Usar cualquier elemento aislante para actuar ya que cualquier conexión corporal

momentánea puede ser fatal. ♦ Se debe romper el punto de contacto lo más rápido posible puesto que la resistencia

de la piel decae rápidamente con el tiempo y la corriente puede llegar a alcanzar valores fatales (100 mA a 300 mA).

♦ Si se produce un paro respiratorio y la víctima se encuentra inconsciente, se debe comenzar rápidamente a administrar respiración artificial. Este proceso puede durar hasta 8 horas.

Índice Objetivos .......................................................................................................................1 SEGURIDAD FRENTE AL TRABAJO CON ELECTRICIDAD .......................................1

ASPECTOS GENERALES.............................................................................................1 EFECTO DE LA CORRIENTE APLICADA AL SER HUMANO .................................2 RECOMENDACIONES Y CUIDADOS ........................................................................2

Índice ..............................................................................................................................4 Motivación ...................................................................................................................5 Materia Incluida en la Experiencia ....................................................................6

Amplificadores ...............................................................................................................6 Amplificador de Señal.................................................................................................6 Ganancia de voltaje, corriente y potencia ....................................................................7 Alimentación de un Amplificador ...............................................................................8 Saturación...................................................................................................................9 Curvas Características y Polarización de Transferencia no lineales............................10 Recta de Carga..........................................................................................................10 Linealización ............................................................................................................11 Modelo de Amplificador ...........................................................................................12 Respuesta en Frecuencia ...........................................................................................14 Ejemplo ....................................................................................................................15

Amplificadores Operacionales ......................................................................................19 Cortocircuito virtual..................................................................................................19 Aplicaciones Típicas .................................................................................................20

Experiencia práctica ...............................................................................................23 I. Simulación.................................................................................................................23

a) Amplificador No Inversor..................................................................................23 II. Experimentación ......................................................................................................24

Cuestionario...............................................................................................................26 Preguntas y Contenido del Informe de la parte Experimental..............27 Anexos .........................................................................................................................27

LM741 Single Operacional Amplifier ..........................................................................27 Bibliografía ................................................................................................................28

Motivación En la experiencia pasada vimos el funcionamiento y algunas aplicaciones de los transistores y diodos, elementos simples y básicos de la electrónica pero que en conjunto y en distintas configuraciones pueden formar dispositivos de alto nivel. En nuestro camino hacia el entendimiento de estos dispositivos nos encontramos con los amplificadores operacionales, comúnmente llamados opamp’s, que siendo una configuración de decenas de transistores, nos permiten diseñar y construir una amplia gama de circuitos sin tener que partir de lo más básico. Un ejemplo de aplicación de los amplificadores operacionales, es en el diseño e implementación de controladores de todo tipo, desde simples controladores de nivel de una piscina hasta controladores multivariables en procesos industriales, control de brazos robóticos en una línea de ensamblaje en serie y control de vuelo en aviones de alta tecnología. Basta decir que con una simple configuración de dos amplificadores operacionales se puede obtener el control necesario para que un objeto levite magnéticamente. Otra aplicación de estos versátiles componentes electrónicos es en el ámbito de las comunicaciones, donde debido a las altas velocidades de transmisión de datos y la atenuación de las señales que esto conlleva, se hacen indispensables elementos que amplifiquen las ondas obtenidas en el receptor y así se pueda recuperar la información enviada. También en este ámbito se encuentran los filtros activos que, a diferencia de los pasivos, conocidos por todos ustedes, pueden obtener anchos de banda de mucho mayor precisión, posibilitando las transmisiones de radio, televisión y datos en forma de señales moduladas y eliminando el ruido.

Materia Incluida en la Experiencia En esta experiencia aprenderemos las características y funcionamiento de los amplificadores, de voltaje y corriente, y mas particularmente de los amplificadores operacionales y sus configuraciones básicas.

Amplificadores

A continuación se explicara el funcionamiento de los amplificadores de señales. Primero se definirán las características básicas de los amplificadores, como son, su linealidad, su eficiencia, su ganancia, y sus resistencias de entrada y salida. Luego se estudiarán circuitos con amplificadores, estudiando así su comportamiento con distintas cargas, su modelación y su respuesta en frecuencia. Finalmente se presenta un ejercicio resuelto, desarrollado paso a paso para un mejor entendimiento del tema.

Amplificador de Señal

Debido a que los transductores, sensores que transforman una variable física en una

eléctrica, entregan señales del orden de microvolts o milivolts y de poca energía, es necesario amplificarlas para que, de este modo, sea posible el manejo y manipulación de dichas señales.

En general, un amplificador de señal posee dos puertos de entrada y dos de salida mas dos terminales de alimentación (Figura 1-a).

Figura 1

Un caso más práctico ocurre cuando el amplificador tiene un terminal común entre

entrada y salida (Figura 1-b), este terminal se conecta a la referencia del sistema llamada tierra.

La idea básica de un amplificador es aumentar la magnitud de la señal entrante y

dejar intacta su forma de onda, cualquier cambio en esta última es llamada distorsión. De este modo si la señal a amplificar es un voltaje, se tiene:

)()( tvAtv io ⋅=

Donde )(tvo es la señal de salida, )(tvi la señal de entrada y A la ganancia del amplificador. Como se ve esta es una relación lineal, por tanto el amplificador es lineal. En el caso de que la relación fuese no-lineal, el amplificador también lo seria.

Ganancia de voltaje, corriente y potencia

Los amplificadores se caracterizan por sus respectivas ganancias, a continuación se

estudiaran los amplificadores en forma genérica, para mas adelante ver los casos específicos.

El circuito de la figura 2 contiene un amplificador lineal.

Figura 2

Se define la ganancia de voltaje como el cuociente entre el voltaje de salida y el

voltaje de entrada, es decir:

I

OV v

vA =

La cual, expresada en decibeles queda: VA [dB]= 20log vA

Si analizamos la curva característica del amplificador (Figura 3), comprobamos su

linealidad.

Figura 3

A su vez, se define de forma similar la ganancia de corriente:

I

OI i

iA =

La que, expresada en decibeles queda: IA [dB]= 20log IA

También se puede obtener la ganancia de potencia de un amplificador, estando ésta

dada por:

IVII

oO

I

OP AA

iviv

ppA ⋅=

⋅⋅

==

Y expresada en decibeles, queda: PA [dB]= 10log PA

Es importante observar que tanto Av como AI pueden ser negativos sin que ello implique que el amplificador atenúe la señal entrante, tan solo significa que éste la a desfasado en 180º.

El amplificador atenúa la señal cuando: 11 <<− A

También, se a supuesto que el amplificador aumenta la potencia de la señal, esta es

una diferencia significativa con un transformador. Esta ganancia de potencia tiene una estrecha relación con las fuentes de alimentación del amplificador. Alimentación de un Amplificador

Como se mencionaba anteriormente, el amplificador posee ganancia de potencia, esta ganancia proviene de la alimentación del amplificador. Como muestra la figura 1, el amplificador tiene un terminal positivo V+ y otro negativo V-, que deben ser alimentados por fuentes continuas.

En la figura 4 se muestra un circuito con las fuentes de alimentación incluidas, generalmente estas se representan con una flecha indicando su polaridad y magnitud.

Figura 4

Las fuentes de alimentación aportan efectivamente en potencia con:

2211 IVIVPcd ⋅+⋅=

Así, haciendo un balance de potencia de un amplificador lineal, se tiene:

OdispIcd PPPP +=+

Donde IP es la potencia entrante, OP la potencia en la carga y

dispP la potencia perdida en forma de calor en el amplificador. Como la señales de entrada son pequeñas, se define la eficiencia de un amplificador como:

100⋅=cd

O

PP

η

Saturación

En la práctica, la curva característica de un amplificador no se mantiene lineal en

todo su recorrido (Figura 5), esta es limitada por las fuentes de alimentación que pueden entregar una potencia finita. Así, se define L+ y L- como los limites de amplificación que suelen estar entre 1 y 2 volts de su fuente de alimentación correspondiente.

Figura 5

Es interesante observar que esta curva puede desplazarse según como se alimente el amplificador.

Analizando la curva característica, se observan las restricciones que debe tener la señal entrante para no ser saturada.

vi

V ALv

AL +

<<−

Con ello el voltaje de salida se mantendrá dentro de los siguientes márgenes.

+<<− LvL O

Curvas Características y Polarización de Transferencia no lineales

Hasta el momento se a supuesto que los amplificadores son lineales y lineales saturados. En realidad fuera de los márgenes de saturación, la curva característica no es una recta. La figura-6 muestra la curva característica típica de un amplificador.

Figura 6

Como la señal de entrada es pequeña, puede linealizarse la curva característica en torno

a un punto Q, de esta forma se podrá considerar al amplificador como lineal en esta región. Para llegar a esta zona, se polariza el sistema con un voltaje continuo que se superpone a la señal alterna desplazándola hasta la región linealizada. El punto Q es llamado punto de polarización u operación, para determinarlo se debe utilizar el concepto de recta de carga.

Recta de Carga

La idea de recta de carga es relativamente sencilla. Primero, debe reducirse el

circuito a su equivalente de Thevenin, luego conectar la carga que se desea estudiar. En este punto, existen dos posibilidades que la carga sea pasiva u activa. Para el primer caso, en un gráfico de corriente v/s voltaje, se traza la corriente que circula por la carga y se intersecta con la relación corriente-voltaje de la carga. La intersección, determina un voltaje que será el punto de operación del sistema (Figura 7).

Figura 7

En el caso de carga activa, el concepto es el mismo, primero se grafican las curvas

que relacionan corriente y voltaje entrantes a la carga, para luego graficar la relación corriente-voltaje propia de la carga, la intersección de estas curvas darán el punto de operación del sistema. Nota: Cuando las curvas intersectadas no son rectas, se aconseja usar el método de aproximación de Newton.

Linealización

Como para polarizar el sistema se debe introducir una fuente continua que entrega el

voltaje de polarización, la señal de entrada y salida quedan de la siguiente forma:

)()()()(

tvVtvtvVtv

oII

iOO

+=+=

con:

i

oV v

vA =

Entonces para linealizar la curva característica del amplificador en torno a un punto Q,

QI

OV dv

dvA =

Con esta “nueva ganancia”, el amplificador queda lineal en torno a Q. Es importante

que la señal alterna sea pequeña para no tener problemas porque esta se sale de la zona lineal.

Modelo de Amplificador

- Amplificador de Voltaje La figura-8 muestra el modelo de un amplificador de voltaje, aunque estos amplificadores están construidos en base a transistores, su comportamiento final puede ser modelado de la siguiente forma.

Figura 8

El modelo consta de una fuente controlada por voltaje, de iR encargada de tomar

una corriente de entrada y oR que toma en cuenta el cambio en voltaje en la salida cuando se conecta una carga. La figura 9 presenta un circuito donde el amplificador de voltaje a sido reemplazado por su modelo.

Figura 9

Primero, se calcula el voltaje de salida a través de un divisor de voltaje,

LO

LVo RR

RAv+⋅

= 0

Luego la ganancia de voltaje queda expresada de la siguiente forma:

LO

LV

i

oV RR

RAvvA

+⋅

== 0

VV

Se observa que la ganancia del amplificador conectado a un circuito cambia respecto a la ganancia en circuito abierto.

Es importante recalcar, que si el amplificador es ideal,

0=∞=

o

i

RR

- Amplificador de corriente Modelo del amplificador:

Figura 10

Donde la ganancia en cortocircuito es:

0=

=ovi

ois i

iA

AA

Para ser ideal, el modelo debe cumplir:

∞==

o

i

RR 0

- Amplificador de transconductancia

-Modelo del amplificador

Figura 11

Donde la transconductancia en cortocircuito es:

0=

=ovi

om v

iG

VA

Para ser ideal, el modelo debe cumplir:

∞=∞=

o

i

RR

Respuesta en Frecuencia

Cuando la entrada de un amplificador es una señal alterna, es interesante estudiar su comportamiento a distintas frecuencias.

Figura 13

Analizando el circuito de la figura 13, y idealizando el amplificador como

cuadripolo, podemos obtener su función de transferencia, llamada ( )ωT de manera sencilla:

( )

( ) φω

ω

=∠

=

TVVT

i

o

En la práctica, lo que se hace es trabajar con el modelo equivalente de amplificador,

con ello se calcula la función de transferencia tomando en cuenta todos los componentes del circuito. Para esto es importante tener claro el concepto de impedancia. A continuación se presentan las impedancias de componentes pasivos: Resistencia: RZ R = Inductancia: LjZ L ⋅⋅= ω

Condensador: Cj

ZC ⋅⋅=

ω1

Con esto, se calcula el voltaje de entrada y salida, trabajando las impedancias con

parte real e imaginaria, como si fueran una resistencia. Una vez calculados los voltajes, se obtiene la función de transferencia del amplificador como:

( ) ( )( )ωω

ωi

o

VVT =

Esta función puede representarse en un gráfico de amplitud v/s frecuencia, con ello

obtenemos su respuesta en frecuencia.

Por simplicidad, se utiliza generalmente diagramas de Bode para analizar la respuesta de un amplificador (Figura 14).

Figura 14

Se define el ancho de banda del amplificador como la región de frecuencias en que la

ganancia se mantiene constante. Los limites inferior y superior de esta región se establecen en los puntos donde dicha ganancia a disminuido 3 decibeles. Ejemplo

El siguiente ejercicio esta resuelto paso a paso para simplificar su comprensión y con la finalidad de reafirmar los conocimientos antes adquiridos.

Figura 15

Para el circuito de la figura-15, se pide encontrar el punto de operación del

amplificador que tiene la siguiente curva característica:

IvO ev ⋅−−= 50151212

Para que la carga reciba la señal de la fuente SV pero desplazada en medio periodo

y con un voltaje pick-to-pick de 6 [V]. Además se pide encontrar L+ y L-. El amplificador trabaja en el rango, 0≥Iv , 2.0≥Ov , tiene una resistencia de entrada de 1 [ ΩM ] y una de salida de 100 [ Ω ].

Finalmente, se pide encontrar la respuesta en frecuencia del amplificador, si se reemplaza la carga por un condensador de 10 [ Fµ ] y se utiliza un amplificador lineal saturado con el mismo rango de trabajo y valor de ganancia calculado, de la parte anterior. La fuente SV , tiene un voltaje pick-to-pick de 2 [V] y es de periodo 1 [s].

Solución:

Primero se gráfica la curva característica del amplificador:

Luego, obtendremos el punto de operación que cumpla las condiciones pedidas a través de la recta de carga.

Con un divisor de voltaje, calculamos el voltaje de entrada como, 46

6

101010+⋅

= Si

vv

Donde, )2( tsenvS ⋅⋅= π

Enseguida calculamos el voltaje en la carga,

25

5

101010

+⋅⋅

= IVO

vAv

(fijarse que esta es la intersección de la recta de carga con la relación V-I de la carga) Entonces, para que la ganancia cumpla las restricciones, se debe cumplir que,

31010

1025

5

−=+⋅VA

Ya que el voltaje pick-to-pick de la señal debe ser de 6 [V], y la sinusoide debe

desfasarse en °180 . De este modo obtenemos la ganancia de voltaje a circuito abierto.

03303.31010

)1010()1010(3 65

4625

−=⋅

+⋅+⋅−=VA

Ahora, se buscará un punto en la curva característica donde la pendiente sea igual a la ganancia de circuito abierto.

Iv

I

O evdvd ⋅− ⋅⋅−=

⋅⋅ 5015 5012

Así, 6894227.0=IV

Este es entonces el voltaje donde debe polarizarse el amplificador, para cumplir con las restricciones.

Obtener L+ y L- es relativamente sencillo, gráficamente se puede determinar de inmediato, sino por definición se sabe que el amplificador trabaja en el rango 0≥Iv ,

2.0≥Ov , entonces: 2.0=−L

Ya que 2.0≥Ov , es decir que esta limitado inferiormente.

Reemplazando 01 =v en la curva característica, se obtiene el valor de L+, así:

1211212 15 ≈⋅−=+ −L

Ahora, la carga del circuito es reemplazada por un condensador, quedando el circuito de la siguiente forma:

Recordar que la nueva curva característica del amplificador, será:

1203303.3 +⋅−= IO vv

Gráficamente:

Es importante observar que la pendiente de la recta o nueva curva característica, es la ganancia de voltaje a circuito abierto que se calculo recientemente.

Para obtener la función de transferencia del amplificador, debemos trabajar el circuito con sus impedancias, así:

1RRi

RiSI ZZ

Zvv+⋅

=

Donde,

:RiZ Resistencia de entrada ( 1[M Ω ] ). :1RZ Resistencia de la fuente ( 10[kΩ ] )

Y obtenemos el voltaje en la carga con un divisor de voltaje:

OC

CIVO ZZ

ZvAv+

⋅⋅=

Donde,

:OZ Resistencia de salida ( 100[ Ω ] ).

:CZ Impedancia de la carga (Cj ⋅⋅ω

1 ).

Como 03303.3−=VA , la función de transferencia queda de la siguiente manera:

OC

CV

I

o

ZZZA

vv

T+⋅

==)(ω

2221)(

O

OVV

ZCZCAjAT

⋅⋅+⋅⋅⋅⋅−

=ω

ωω

Amplificadores Operacionales Los amplificadores operacionales son circuitos integrados compuestos de hasta cientos o miles de transistores que permiten la amplificación y manipulación de señales eléctricas. Sus funciones básicas pueden ser variadas, pasando desde sumadores, restadores, multiplicadores, integradores, derivadores, hasta funciones exponenciales, divisiones y muchas más.

La representación simbólica de un Amplificador Operacional u OpAmp (Operational Amplifier) es la siguiente:

Se pueden observar los dos terminales de entrada de la señal, V+ y V-, y el terminal

de salida. Los dos terminales de alimentación generalmente no se dibujan para simplificar el esquema del circuito, pero no se deben olvidar a la hora de efectuar el diseño, ya sea en forma práctica o en una simulación. En forma teórica, el voltaje de salida se obtendrá de la siguiente forma:

)( −+ −⋅= vvAvout

Siendo A la ganancia del opamp. Idealmente la resistencia de entrada de los opamp es infinita, haciendo que por sus terminales V+ y V- no ingrese corriente, y la resistencia de salida es cero, provocando que no haya una caída de tensión debida a ésta. La ganancia ideal también es infinita, lo que hace que para valores de V+ y V- distintos el opamp se sature un su valor de alimentación positivo o negativo según corresponda. La mayor parte de las configuraciones de opamp tienen realimentación positiva o negativa, dependiendo de la respuesta que se desee obtener. Que la realimentación sea positiva o negativa depende de que terminal de entrada se este realimentando con la salida. Cortocircuito virtual Cuando existe realimentación negativa en la configuración de un opamp los terminales de entrada, es decir, V+ y V-, toman el mismo potencial. Esto es lo que se conoce como cortocircuito virtual. Este efecto es muy importante a la hora de querer determinar la relación entre el voltaje de entrada y el de salida.

Aplicaciones Típicas

- Amplificador Inversor:

V+ = 0; V- =V1-Ient*R2 V+ = V- =0; cortocircuito virtual Ient = V1/R2 Vo = 0 + Ient*R1 Vo = -(V1*R1)/R2 Vo/V1 = - R1/R2

- Amplificador No-Inversor:

Vo/V1 = (1 + R2/R1)

- Seguidor de Voltaje:

V0 = V1

- Amplificador Diferencial:

Si suponemos R2 / R1 = R4 / R3 V0 = R2 / R1 * [ V2 – V1]

- Sumador Inversor:

Vo = - [Rf / R1 * V1 + Rf / R2 * V2 + Rf / R3 * V3]

- Integrador:

Vo = - (1 / RCs ) * Ve

- Diferenciador:

Vo = - RCs * Ve

- Comparador de voltaje:

Vo = + Vsat si V2 > V1 * (R1 / R1+R2) Vo = - Vsat si V2 < V1 * (R1 / R1+R2)

- Amplificador de Instrumentación

Vo = - R3 / R4 * (1 + 2 * R2 / R1)* (V1 – V2)

Experiencia práctica

I. Simulación

a) Amplificador No Inversor En esta primera parte simularemos con el software Microcap el circuito mostrado a continuación:

Figura 1

La fuente V1 es una fuente sinusoidal (Components → Analog Primitives → Waveform Sources → Sine Source). Se elige una alimentación de +/- 9V que se ve reflejado en V2 y V3 (fuentes de alimentación). La elección de la fuente V1 está a criterio del grupo. Recuerde que si elige mucha amplitud va a saturar el amplificador operacional en la salida. La resistencia R2 define cuanto se va a amplificar la señal de entrada según las fórmulas vistas en la parte teórica. R1=5k. El OPAMP se obtiene en (Components → Analog Primitives → Active Devices → Opamp) y se elije el modelo LM741.

a.1) Elija R2 de manera de obtener una ganancia de 2, es decir Vo=2V1. Anote las resistencias utilizadas mediante los códigos de colores explicando cada color según su posición.(I1) a.2) Realice un análisis de transiente (Analysis → Transient) y compare el voltaje de la Fuente con el voltaje de salida. Comente.(I2) a.3) Ahora elija una ganancia de 3. Modifique la amplitud del voltaje de entrada si es necesario. Anote las nuevas resistencias utilizadas mediante los códigos de colores. Realice un análisis de transiente (Analysis → Transient) y compare el voltaje de la Fuente con el voltaje de salida. Comente.(I3).

Ahora implemente el siguiente circuito sumador con Ri=5k, i=1,2,3,4,5. V2=V3=9V.

Figura 2

a.4) En este circuito estamos sumando V4 y V5. Haga un análisis transiente, y vea si efectivamente se cumple la suma requerida en V9. Comente. Tenga cuidado de no saturar los OPAMP.(I4) a.5) Explique porqué estamos usando todas las resistencias iguales. Que cambiaría al variar R5? R3? Varíe estas resistencias en su simulación y comente los cambios.¿Para qué sería útil modificar estas resistencias? (I5). a.6) Explique el circuito etapa por etapa.(I6)

II. Experimentación

Construya el circuito de la fig.1 en la Protoboard para ganancia 3. Conecte el generador de funciones y regule la amplitud hasta alcanzar un valor adecuado sin saturación. (Recuerde las Normas de Seguridad para las conexiones eléctricas). a.1) Con la ayuda del osciloscopio, observe el voltaje en la salida del amplificador y en la entrada.¿Existe alguna diferencia con el obtenido en la simulación?. Comente.(I10) a.2) Aumente gradualmente el voltaje de entrada. ¿Para que valores de Vo comienza la saturación? Compare con la teoría (pregunta 4 cuestionario). Intente aumentar el voltaje de entrada por encima del voltaje de alimentación. Que sucede? Porqué? (I11)

Ahora implemente el circuito sumador de la figura 2, utilizando los mismos valores de resistencias y amplitud de las fuentes. a.3) Con la ayuda del osciloscopio, observe el voltaje en la salida del amplificador y en la entrada. ¿Existe alguna diferencia con el obtenido en la simulación?. Comente. Ajuste los valores de V4 y V5 en un rango que evite la saturación.(I12) a.4) Ajuste los valores de resistencias para obtener la suma 55.142 VVVo ⋅+⋅= donde Vo es el voltaje en el nodo 9. Ajuste los valores de V4 y V5 en un rango que evite la saturación. Anote los valores de resistencias y la amplitud de las fuentes de voltaje usadas. Observe el voltaje de entrada y salida en el osciloscopio.¿ Concuerda con lo esperado teóricamente? (I13)

Cuestionario (responder en la parte de cuestionario)

1) Explique brevemente el funcionamiento de los amplificadores operacionales. 2) Explique con sus palabras lo que usted entiende por cortocircuito virtual. 3) Busque el datasheet del LM741. Indique sus características más importantes

(voltajes máximos de entrada, voltajes de alimentación, etc). No queremos que incluya el datasheet en el informe.

4) Explique cuando y porqué existe saturación en la salida del OPAMP. 5) Demuestre matemáticamente la relación de voltaje de entrada y salida para las

siguientes configuraciones: amplificador no-inversor, sumador ,integrador, diferenciador (derivador). Explique todo el desarrollo (paso a paso) tal como se hizo para el amplificador inversor.

6) Investigue osciladores que usen Opamps en su configuración. Explique su funcionamiento y encuentre la fórmula para calcular su frecuencia de oscilación.

7) Si conectamos una señal V1 a la entrada inversora (-) y una señal V2 a la señal no-inversora (+) .¿Cuál será la salida del Opamp si V1>V2? ¿Y si V1<V2 ?

8) ¿Qué sucedería si no alimentamos el Opamp con alimentación positiva (+Vcc) y alimentación negativa (-Vcc), sino que lo alimentamos con +Vcc y tierra (que sería –Vcc) ?

9) Optativo: Diseñe un circuito que entregue la multiplicación de sus dos entradas, usando amplificadores operacionales LM741. Entregue el esquemático y los gráficos que demuestren el buen funcionamiento del circuito. (Pista: logaritmo)

Preguntas y Contenido del Informe de la parte Experimental Responder en la parte de desarrollo

En el informe, la parte experimental debe contener todas las respuestas a las preguntas indicadas con (I), incluyendo gráficos, figuras y tablas de datos que amerite necesario adjuntar. Anote problemas y dificultades que tuvo al realizar la experiencia. Aportes creativos y comentarios fuera de lo preguntado tendrán bonificación extra en la nota, al igual que responder las preguntas de las experiencias Opcionales. Plazo de Entrega : 2 Semanas a contar de la fecha de realización del laboratorio Anexos LM741 Single Operacional Amplifier

Propiedad Op Amp LM741 Impedancia de entrada (Ri) 1Ω Impedancia de salida (Ro) 75Ω

Ganancia en lazo abierto (Ao) 2 x 103 Ancho de banda en lazo abierto 5 Hz

Ancho de banda de ganancia unitaria 1 MHz Razon de rechazo en modo comun (CMRR) 95 db

Rapidez del voltaje de salida (SR) 0.7 V/µs La descripción fisica del circuito integrado se muestra en la siguiente figura. En ella podemos distinguir 8 pines cuyas funciones se detallan a continuación.

• Pin 1: en conjunto con el pin numero 5 son utilizados para reducir el offset o voltaje de salida propio del amplificador cuando las entradas del amplificador están puestas a cero. Para ello es recomendable la inclusión de una resistencia entre los terminales mencionados.

• Pin 2: es la entrada inversora, es decir, si una señal entra por este pin a la salida saldrá invertida.

• Pin 3: es la entrada no inversora. • Pin 4: es la entrada de voltaje negativo o Vee. • Pin 6: es la salida del amplificador

operacional. • Pin 7: es la alimentación positiva o Vcc. • Pin 8: no posee conexión.

Bibliografía

- Sedra : Circuitos Microelectrónicos - Juan Miguel Casar : Mini Tutorial – Amplificadores - Malvino : Circuitos Eléctricos