práctica 1 comparador de ventana
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CD.
CUAUHTÉMOC
ELECTRÓNICA II
Práctica 1
Comparador de Ventana
ALUMNOS
Holguín Moctezuma Luis E. 09610390
Leyva Zúñiga Jorge R. 08610371
Núñez Cruz Marylé 09610452
Dr. David Sáenz Zamarrón
Cd. Cuauhtémoc, Chih., Junio de 2012
CONTENIDO
Índice de figuras iii
Índice de tablas iv
I. Introducción………………………………………………………………
………..
1
II. Marco
teórico………………………………………………………………………
3
2.1 Fundamentos del amplificador
operacional…………………………….
3
2.2 Amplificadores operacionales en circuito
integrado…………………..
4
2.2.1 Terminales de
alimentación…………………………………………
5
2.2.2 Terminal de
salida…………………………………………………….
6
2.2.3 Terminales de
entrada………………………………………………..
7
2.3 Comparador de
ventana……………………………………………………..
7
2.3.1 Nivel de salida alto entre los límites………………………….. 8
2.3.2 Nivel de salida bajo entre los límites…………………………… 9
III. Objetivo…..
…………………………………………………………………………
11
IV. Material y
equipo………………………………………………………………...
12
V. Metodologí
a………………………………………………………………………..
15
VI. Desarrollo………………………………………………………………………..
…
16
VII. Resultado
s………………………………………………………………………….
18
ii
VIII. Conclusiones…………………………………………………………………...
….
22
Bibliografía……………………………………………………………………….
…………
23
Anexo A Datasheet parcial del OP AMP
741………………………………………
24
Anexo B Datasheet parcial del transistor
2N2222………………………………
25
Índice de figuras
Figura 1.1 Señales y formas de salida del OP AMP………………………….
……
1
Figura 2.1 Señales de entrada del OP
AMP…………………………………………
4
Figura 2.2 Identificación de las terminales de un
741…………………………..
5
Figura 2.3 Conexiones de fuentes de
alimentación………………………………
6
Figura 2.4 Comparador de ventana no inversor……………………….
…………
8
Figura 2.5 Comparador de ventana inversor……………………..…….
………….
9
Figura 5.1 Comparador de ventana (nivel bajo)
…………………………………..
10
iii
Figura 5.2 Obtención de voltajes…………………………………………..
…………
16
Figura 6.1 Simulación en Multisim11.0………………………………………..
……
17
Figura 6.2 Circuito físico del comparador de ventana……………………..
……
17
Figura 7.1 Límites del comparador de ventana.……………………………….
….
18
Índice de tablas
Tabla 2.1 Características del amplificador operacional
741…………………….
6
Tabla 4.1 Componentes
electrónicos………………………………………………...
12
iv
Tabla 4.2 Equipos y
software…………………………………………………………..
14
Tabla 7.1 Resultados del comparador de
ventana………………………………...
19
v
I. Introducción
Presentes en casi todo circuito moderno, ya se trate de un dispositivo de
electrónica digital o analógica, el amplificador operacional (OP AMP) es el pilar
de la mayoría de los diseños electrónicos.
Los amplificadores operacionales integrados son baratos, versátiles y fiables.
Por esta razón se pueden usar no solo en circuitos lineales como
amplificadores de tensión, fuentes de corriente y filtros activos, sino también
en circuitos no lineales como circuitos activos con diodos, comparadores y
generadores de señal.
Un OP AMP (típico) no puede suministrar un nivel de tensión o potencial en la
salida mayor al que poseen las fuentes de alimentación de las cuales toma la
energía. Normalmente el voltaje máximo de salida está definido como el
voltaje de alimentación menos uno a dos voltios. Cuando se da a la salida este
valor se dice que el OP AMP se satura, pues ya no está amplificando, y que deja
de tener un comportamiento lineal. En la figura 1.1a se muestra la señal de
entrada al OP AMP, dependiendo del valor de señal el OP AMP entrará en
saturación o no, como se muestra en la Figura 1.1b.
1
Figura 1.1 Señales y formas de salida del OP AMP
La forma de la señal de salida en un amplificador operacional no lineal es,
normalmente, diferente de la de entrada, porque el operacional se satura
durante parte del ciclo de entrada. Por tal motivo, tienen que analizarse dos
modos o zonas diferentes de funcionamiento para ver qué sucede durante un
ciclo completo de la señal de salida.
Los comparadores son circuitos no lineales que, como su nombre indica, sirven
para comparar dos señales (una de las cuales generalmente es una tensión de
referencia) y determinar cuál de ellas es mayor o menor. La tensión de salida
tiene dos estados (binaria) y se comporta como un convertidor analógico-
digital de 1 bit. La función del comparador es comparar dos tensiones
obteniéndose como resultado una tensión alta (VOH) o baja (VOL). El comparador
acepta señales analógicas a la entrada y proporciona señales binarias a la
salida. Este elemento constituye un nexo de unión entre el mundo analógico y
digital.
Algunos circuitos integrados (como el CI-339, CI-311 etc.) se han diseñado
específicamente como comparadores otros como el CI-741 aunque son en
realidad amplificadores operacionales pueden ser usados como comparadores.
Los OP AMP pueden actuar como comparadores cuando la ganancia diferencial
en lazo abierto sea alta (>10.000) y la velocidad no sea un factor crítico. Como
ejemplo, el OP AMP 741 se comporta como un elemento de entrada lineal si la
tensión de entrada en modo diferencia está comprendida entre los valores –
65µV < Vd < +65µV. Fuera de ese rango la etapa de salida del amplificador
entra en saturación y puede comportarse como comparador.
2
Existen diferentes tipos de comparadores como los inversores, no inversores,
con histéresis, sin histéresis y de ventana.
El comparador de ventana permite detectar un nivel de voltaje entre dos
límites, uno inferior y uno superior. Con este sencillo circuito podremos
visualizar a simple vista que límites supera la señal que aplicamos a la entrada;
las aplicaciones del circuito son muchas y variadas, un elemento muy útil en
nuestros circuitos electrónicos.
II. Marco Teórico
El amplificador operacional (OP AMP) es un circuito cuya popularidad y
utilización ha crecido de una manera vertiginosa en los últimos años gracias a
la gran cantidad de operaciones en las que puede ser utilizado, en electrónica
analógica, prácticamente en todas, y en electrónica digital en bastantes. Gran
parte de esta popularidad hay que agradecerla a la aparición de la integración
de semiconductores, con la cual este circuito está hoy en día disponible en
forma de pequeños circuitos integrados de bajo precio, considerándolo como
un componente electrónico más.
El término de amplificador operacional fue nombrado para designar una clase
de amplificadores que permiten realizar una serie de operaciones tales como
suma, resta, multiplicación, integración, diferenciación..., importantes dentro
de la computación analógica. La aparición y desarrollo de la tecnología
integrada, que permitía fabricar sobre un único substrato monolítico de silicio
gran cantidad de dispositivos, dio lugar al surgimiento de amplificadores
operacionales integrados que desembocaron en una revolución dentro de las
aplicaciones analógicas.
2.1 Fundamentos del Amplificador Operacional
El amplificador operacional es un amplificador de muy alta ganancia que
cuenta con una impedancia de entrada muy alta (por lo general de algunos
3
megaohms) y con una impedancia de salida (menor a 100Ω). La figura 2.1a
muestra el circuito básico que se construye mediante el empleo de un
amplificador diferencial que tenga dos entradas (de signo positivo y de signo
negativo) y al menos una salida. Conforme a lo establecido con anterioridad la
entrada de signo positivo (+) produce una salida que se encuentra en fase con
la señal aplicada, mientras que una entrada en la entrada de signo negativo (-)
produce una salida con polaridad opuesta como se muestra en la Figura 2.1b
(Boylestand & Nashelsky, 2003).
Figura 2.1 Señales de entrada del OP AMP
2.2 Amplificadores operacionales en circuito integrado
Los circuitos operacionales son circuitos integrados (CI) con uno a cuatro
amplificadores operacionales en un solo CI. La figura 2.2 muestra un CI 741,
con una descripción de las señales terminales específicas (Bolyestand &
Nashelsky, 1997).
Debido a que es muy barato y sencillo de usar, el CI 741 ha tenido un enorme
éxito. Por ejemplo, Motorola produce el MC1741, National Semiconductor el
LM741 y Texas Instruments el SN72741. Todos esos amplificadores
operacionales monolíticos son equivalentes al 741, ya que tienen las mismas
especificaciones en sus hojas de características. Para simplificar el nombre, la
4
mayoría de la gente ha evitado los prefijos y a este amplificador operacional de
gran uso se le llama simplemente 741.
Figura 2.2 Identificación de las terminales de un 741.
Por su gran importancia, se utilizará el 741 como dispositivo básico en las
exposiciones siguientes. Una vez que se haya entendido el 741, se pueden
investigar otros amplificadores operacionales. Referente a este modelo, hay
que decir que el 741 tiene diferentes versiones numeradas: 741,741A, 741C,
741E, 741N y así sucesivamente. Difieren en su ganancia de tensión, rango de
temperatura, nivel de ruido y otras características. El 741C (la C indica nivel
comercial) es el más barato y el más utilizado.
En la tabla 2.1 se proporciona una lista parcial de la hoja de especificaciones
del CI 741. A continuación se analizan algunas de las características más
importantes de un amplificador operacional.
2.2.1 Terminales de alimentación
Las terminales de un amplificador operacional marcadas +Vcc y –VEE
proporcionan el voltaje a todo el circuito integrado. En la figura 2.3 se
muestran las dos conexiones usuales.
5
Figura 2.3 Conexiones de fuentes de alimentación
En la figura 2.13a las fuentes de voltaje doble están conectadas de modo que
la salida puede excursionar tan alto como +15v y tan bajo como -15v. La figura
2.13b muestra una conexión en la cual la salida puede tener una excursión
+15v y tan bajo como 0v.
Tabla 2.1 Características del amplificador operacional 741
Parámetro Mínimo Típico Máximo Unidades
Resistencia de entrada 0.3 2.0 MΩ
Relación de rechazo en
modo común70 90 dB
Ganancia de voltaje a
gran señal20 000 200 000
Resistencia de salida 75 Ω
Consumo de potencia 50 85 mW
Límite de velocidad de
voltaje0.5 V/µs
2.2.2 Terminal de Salida
6
La terminal de salida simple, que produce una salida simple, proporciona un
voltaje cuyo valor máximo está limitado por el o por los voltajes de
alimentación. El voltaje de salida proporciona una resistencia de salida que se
muestra en la tabla 2.1 y es
Ro=75Ω
2.2.3 Terminales de entrada
Se proporcionan dos terminales de entrada. Una señal aplicada a la entrada
positiva con respecto a tierra provoca una salida en fase con la señal de
entrada. Una señal aplicada a la entrada negativa con respecto a tierra genera
una salida opuesta en fase con la señal de entrada. También se puede conectar
una señal de entrada entre las terminales de + y – (una entrada diferencial)
con la salida amplificada vo. La impedancia de entrada entre cualquier entrada
y tierra por lo general es muy grande. Según la tabla 2.1, el valor de Ri es
Ri=2MΩ
2.3 Comparador de Ventana
Un comparador de ventana permite saber si una señal o nivel de tensión está
dentro o fuera de un límite aceptable de voltajes previamente definido.
Según la definición de Malvino
“Un comparador de ventana indica el momento en que la tensión de
entrada excede cierto límite o umbral. Un comparador de ventana
(también llamado detector de limite doble) detecta cuando la tensión de
entrada esta entre dos límites. Para construir un comparador de ventana
se utilizan dos comparadores con umbrales distintos” (Malvino, 2000).
Frecuentemente se quiere comparar una tensión con otra para ver cuál es la
mayor. En esta situación, un comparador puede ser la solución perfecta. Este
7
circuito tiene dos terminales de entrada (inversor y no inversor) y un terminal
de salida. Es diferente a los circuitos lineales con amplificadores operacionales,
ya que existen dos estados en la salida, dependiendo de si la tensión es alta o
baja. Por esta razón, los comparadores son comúnmente usados como
conexión entre circuitos analógicos y digitales (Malvino, 2000).
2.3.1 Nivel de salida alto entre los límites
La figura 2.4 a muestra otro comparador de ventana. El circuito utiliza un
LM339, comparador cuádruple que necesita de una resistencia externa de pull-
up. Si la tensión de alimentación del pull-up es de +5V, la salida pude excitar
circuitos TTL. La figura 2.4b muestra la función de transferencia. Se observa
que la tensión de entrada está entre los dos límites.
Para el análisis supondremos las mismas tensiones de referencia del ejemplo
anterior. Cuando V ¿< 3V, el comparador inferior lleva la salida a cero. Cuando
V ¿ > 4V, el comparador superior lleva la salida a cero. Cuando 3V < V ¿< 4V, el
transistor de salida de ambos comparadores está en corte, con lo que la salida
sube a +5V (Malvino, 2000).
8
Figura 2.4 Comparador de ventana no inversor
2.3.2 Nivel de salida bajo entre los límites
La figura 2.5a muestra un comparador de ventana que produce un nivel bajo
de tensión de salida cuando la tensión de entrada está entre unos límites
inferior y superior. El circuito tiene un PCI y un PCS. La tensión de referencia se
puede obtener de un divisor de tensión, unos diodos Zener o de otros
circuitos. La Figura 2.5b muestra la función de transferencia de un comparador
de ventana. Cuando V ¿, es menor que PCI o mayor que PCS, la salida está en
9
nivel alto. Cuando V ¿, está entre PCI y PCS, la salida está a nivel bajo (Malvino,
2000).
Con ayuda de un comparador (amplificador operacional) que controle el nivel
de voltaje superior y otro comparador que controle el nivel de voltaje inferior,
se puede implementar un comparador de ventana. En la figura 2.6 se muestra
el diagrama del comparador de ventana de nivel de salida bajo entre los límites
que se utilizará en el desarrollo de la práctica.
10
Figura 2.5 Comparador de ventana inversor
Figura 2.6 Comparador de ventana (nivel bajo).
La entrada V ¿ es común para ambos operacionales; si el valor de la entrada se
encuentra entre los márgenes establecidos, las salidas de ambos operacionales
permanecerán a cero, por lo tanto el LED permanecerá apagado. Si la señal de
entrada es inferior al margen inferior establecido, el operacional 2 pasará a
saturación positiva y el LED se iluminará. Si por el contrario el margen
superado es el superior, será el operacional 1 el que pase a saturación positiva
iluminando el LED.
III. Objetivo
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Montar un comparador de ventana (de nivel de salida bajo) con la ayuda del OP
AMP 741 como comparador de tensión, además de otros componentes que
integran la salida del comparador; para comprender y analizar el
comportamiento de éstos componentes electrónicos.
El análisis del circuito se realizará en base a la herramienta de simulación (en
esta ocasión Multisim 11.0 de National Instruments) y en una tablilla de
protoboard con el circuito armado.
IV. Material y Equipo
12
En la tabla 4.1 se describen los componentes electrónicos que se necesitan
para armar un comparador de venta del tipo nivel de salida bajo entre los
límites; y en la Tabla 4.2 se enlistan los equipos y software que se necesitarán
para revisar los parámetros del circuito.
Tabla 4.1 Componentes electrónicos
Componente Descripción Figura
2 OP AMP 741
Es un OPAMP alojado en una cápsula de
tipo DIP8, de 8 pines. Incluye un
condensador de compensación interno
para evitar oscilaciones: Con una
resistencia de carga grande, la señal de
salida puede oscilar en un margen de 1 o
2 V inferior al margen entre las dos
alimentaciones. Con resistencias de carga
pequeñas, MPP está limitada por la
corriente de cortocircuito. La velocidad de
respuesta es la máxima velocidad a la que
puede variar la tensión de salida cuando
se excita la entrada con un escalón. El
ancho de banda es proporcional a la
velocidad de respuesta.
1 Transistor
2N2222,
también
identificado
como PN2222
Dispositivo semiconductor que permite el
control y la regulación de una corriente
grande mediante una señal muy pequeña.
Es del tipo bipolar NPN de baja potencia
de uso general. Sirve para aplicaciones de
amplificación como de conmutación.
2 Diodos
Rectificadores
Componente de dos terminales que
permite la circulación de la corriente
13
eléctrica a través de él en un solo sentido.
1 Diodo Zener
1N914
Tipo especial de diodo que siempre se
utiliza polarizado inversamente. En este
caso la corriente circula en contra de la
flecha que representa el diodo. Si el diodo
se polariza en sentido directo se comporta
como un diodo rectificador; si se polariza
inversamente mantiene entre sus
terminales un voltaje constante.
1 Diodo Led
Light-Emitting Diode: "diodo emisor de
luz", es un diodo semiconductor que emite
luz. Tiene un voltaje de operación desde
1.5 V a 3.8 V aproximadamente y la gama
de corrientes que circulan por él va de los
10mA a 20mA dependiendo del color del
led.
1 Resistencia
Variable de
10kΩ
Es un resistor cuyo valor de resistencia es
variable. De esta manera, indirectamente,
se puede controlar la intensidad de
corriente que fluye por un circuito si se
conecta en paralelo, o la diferencia de
potencial al conectarlo en serie.
Resistencias
(4 de 1KΩ
1 de 4.7KΩ
1 de 150Ω )
Oposición que encuentra la corriente a su
paso por un circuito eléctrico, atenuando
el libre flujo de circulación de las cargas
eléctricas o electrones. En está ocasión
se utilizaran resistencias de ¼ w de
potencia, la tolerancia es del 5%.
14
15
Tabla 4.2 Equipos y software
Elemento Descripción Imagen
Simulador
NI Multisim
Es una herramienta que integra una
potente simulación SPICE y entrada
de esquemáticos integrándolo en un
laboratorio de electrónica
sumamente intuitivo sobre un PC.
Cuenta con las características de
puntas de prueba industriales,
intercambio de datos con
instrumentos virtuales y reales,
corrector de errores y sugerencias
de cambios sobre el circuito.
Multímetro
Es un instrumento eléctrico para
medir directamente magnitudes
eléctricas activas como corrientes y
potenciales (tensiones) o pasivas
como resistencias, capacidades y
otras. Las medidas pueden
realizarse para corriente continua o
alterna y en varios márgenes de
medida cada una.
Fuente de
Voltaje
Es un dispositivo que convierte la
tensión alterna de la red de
suministro, en una o varias
tensiones continuas, que alimentan
los distintos circuitos al que se
conecta.
V. Metodología
En los siguientes párrafos se describe la metodología que se recomienda
seguir:
a) El nivel de tensión / voltaje que se desea censar V ¿ se aplica a la entrada
inversora del amplificador operacional que controla el límite inferior (ver
Vinf en la figura 5.1) y también a la entrada no inversora del amplificador
operacional que controla el límite superior (ver Vsup en la figura 5.1).
b) Estableciendo el voltaje límite superior y el voltaje límite inferior en los
terminales Vsup y Vinf, se define el rango de voltajes para el cual la salida
del comparador de ventana estará activa.
c) La tensión de referencia y de alimentación de los OP AMP se pueden
obtener de una fuente para cada entrada de tensión o empleando un
divisor de tensión o de otro circuito, si se desea utilizar solo una fuente de
alimentación (véase obtención de voltajes).
d) A la salida de los OP AMP se colocan los diodos rectificadores para permitir
el paso de la corriente solo en una dirección.
e) Enseguida se coloca una resistencia en serie con el diodo 1N914, cuando
se cumplan las condiciones de los comparadores, el voltaje vencerá al
diodo, y el transistor se polarizara, cuando las condiciones no cumplan el
diodo conectara el transistor y la tierra y el transistor permanecerá
desactivado.
f) Se coloca un led en el colector del transistor y una vez que éste se active
encenderá al led, indicando que V ¿ se encuentra fuera de la ventana.
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VI. Desarrollo
Regularmente cuando se quiere anticipar y analizar el comportamiento de
algún circuito electrónico es recomendable hacer una simulación, dado que
esta herramienta permite la inclusión de algunas complicaciones del mundo
real, además de que permite estudiar los efectos interactivos de los
componentes individuales o en conjunto. En esta ocasión se utilizó el simulador
de National Instruments Multisim 11.0 para realizar la simulación de imagen
6.2.
Para la obtención de voltajes se utilizará una fuente de PC, que aunque ofrece
varios valores de tensión, interesa por los 12 V. Para poder obtener un Vsup
positivo, Vinf negativo y poder cambiar V ¿ entre niveles de tensión positivos y
negativos se hace la conexión de la figura 6.1a, donde se muestran 2
multímetros con los voltajes de salida de 12V y -12V.
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Figura 6.1 Obtención de voltajes
Vsup. Con la línea de voltaje de +Vcc se hace un divisor de tensión con
resistencias de 1KΩ.
Vinf. Con la línea de voltaje de -VEE se hace un divisor de tensión con
resistencias de 1KΩ.
Vin. Para lograr el cambio de tensión de V ¿ se necesita un potenciómetro
conectado como se muestra en la figura 6.1b .Esta conexión nos permite variar
el volumen desde los 12v hasta -12v.
Figura 6.2 Simulación en Multisim11.0.
Posteriormente se alambro el circuito de la figura 2.6 como se muestra en la
imagen 6.3. Enseguida se varían los valores de V ¿ y se observa la salida, cuyos
resultados se muestran en el siguiente capítulo.
18
Figura 6.3 Circuito físico del comparador de ventana
VII. Resultados
En la figura 7.1 se muestran los límites del comparador la ventana; es decir,
dentro de estos valores de tensión el nivel de salida será bajo (el led estará
apagado). La figura 7.1a muestra el límite superior y la 7.1b muestra el límite
inferior. Estos límites son aproximados a los que se esperaba de 6v y -6v,
resultados obtenidos en Multisim 11.0.
19
(a) (b)
Figura 7.1 Límites del comparador de ventana
En la tabla 7.1 se muestran algunas de las salidas que se originaron para los
diferentes niveles de voltaje de V ¿.
Tabla 7.1 Resultados del comparador de ventana
Parámetros Imagen
V ¿ = 11.39 V.
La salida está en
nivel alto cuando la
entrada está fuera de
los límites de la
ventana.
20
V ¿=¿5.79 V se
encuentra dentro de
la ventana del
comparador por ello
se obtiene un nivel de
salida bajo.
V ¿=¿5.07 V se
encuentra dentro de
la ventana del
comparador por ello
se obtiene un nivel de
salida bajo.
V ¿=¿4.59 V. La salida
está en nivel bajo
21
cuando la entrada
está en los límites de
la ventana.
V ¿=¿2.63 V se
encuentra dentro de
la ventana del
comparador por ello
se obtiene un nivel de
salida bajo.
V ¿=¿-2.10 V.
La salida está en
nivel bajo cuando la
entrada está en los
límites de la ventana.
V ¿=¿-5.16 V se
22
encuentra fuera de la
ventana del
comparador por ello
se obtiene un nivel de
salida alto.
V ¿=¿-5.18 V. La
salida está en nivel
alto cuando la entrada
está fuera de los
límites de la ventana.
V ¿=¿-10.27 V se
encuentra fuera de la
ventana del
comparador por ello
se obtiene un nivel de
salida alto.
23
VIII. Conclusiones
El amplificador operacional es un componente electrónico que se utiliza
ampliamente en electrónica, esto es debido a su versatilidad y bajo costo.
Puede resultarnos útiles para muchas aplicaciones, tal es esta ocasión, en que
se realizó un comparador de ventana, al que podemos dar un considerable
número de aplicaciones.
En el desarrollo de la práctica se comprende la importancia del análisis de
circuitos en simulación, pero más aún en su forma física, que es donde se
presentan los problemas e incongruencias, que deben resolverse para obtener
el resultado final.
Este análisis que se obtiene nos permite aplicar los conocimientos en futuros
requerimientos de materias y/o necesidades de algún proyecto.
24
Bibliografía
Bolyestand, R. L., & Nashelsky, L. (1997). Fundamentos de Electrónica. México. Prentice-Hall.
Boylestand, R. L., & Nashelsky, L. (2003). Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. México. Pearson Educación.
Malvino, A. P. (2000). Principios de Electrónica. Madrid. McGraw Hill.
Anexo A Datasheet parcial del OP AMP 741
25
Anexo B Datasheet parcial del transistor 2N2222
26
27