UNIVERSIDAD NACIONAL TECNOLOGICA DE LIMA SUR

INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

CIRCUITOS ELECTRONICOS II

LABORATORIO 1:

AMPLIFICADORES OPERACIONALES APLICACIONES

Estudiante: Peralta Guerrero Juan Carlos

DOCENTE: MG. ING. OSCAR DALL’ORTO GATES

Ciclo: VII

2015

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Un amplificador operacional es, básicamente un amplificador de voltaje de muy alta ganancia, que utiliza técnicas de realimentación para controlar sus características de desempeño tales como ganancia, impedancia de entrada, respuesta de frecuencia entre otras.

El dispositivo posee dos líneas de entrada (+,-), una línea de salida, dos líneas de alimentación (+V,-V) y amplifica la diferencia entre los voltajes de entrada.

Siendo Vo el voltaje de salida, Ao la ganancia de voltaje del dispositivo, V2 el voltaje aplicado a la entrada positiva (+) o no inversora y V1 el voltaje aplicado a la entrada negativa (-) o inversora.

Una de las habilidades de un amplificador operacional es de ser capaz de amplificar, controlar o generar todo tipo de formas de onda, sinusoidales y no sinusoidales, sobre un amplio rango de frecuencias, desde 0Hz hasta varios mega hertzios.

APLICACIONES

• Pueden efectuar todo tipo de operaciones matemáticas con cantidades representadas por señales, incluyendo la suma, resta, multiplicación, división, integración y la diferenciación.

• Son muy útiles en sistemas de control, sistemas de regulación, procesamiento de señales, instrumentación, computación análoga, entre otras.

ESTRUCTURA INTERNA

Los amplificadores operacionales suelen estar formados por las siguientes etapas:

1. Una etapa amplificadora de entrada diferencial y salida diferencial. 2. Una segunda etapa de entrada diferencial y salida asimétrica. 3. Una etapa intermedia. 4. Una etapa de salida.

Etapa amplificadora de entrada diferencial y salida diferencial

• Define las características de entrada del AO. Suele ser un AD (Amplificador diferencial) basado:

1. En transistores bipolares simples o en montaje Darlington para disminuir las corrientes de entrada.

2. Transistores FET que aumentan la impedancia de entrada

Etapa de entrada diferencial y salida asimétrica

• Aumenta la ganancia diferencial y adapta los niveles de continua para acoplar la salida a la siguiente etapa.

Etapa intermedia

• Provee ganancia de potencia y adapta los niveles de continua.

• Además, limita el ancho de banda total del amplificador en ciclo abierto que garantiza su estabilidad. Suele consistir en un amplificador en emisor común.

Etapa de salida

• Suele ser un amplificador de corriente que disminuye la impedancia de salida para poder alimentar cargas relativamente bajas con protección contra sobre-corriente.

CONFIGURACIONES “AMPLIFICADORES OPERACIONALES”

Comparador Seguidor No inversor Sumador inversor Restador Inversor Integrador ideal Derivador ideal

CARACTERÍSTICAS GENERALES

El circuito eléctrico equivalente de un amplificador operacional.

En este modelo, Vin representa el voltaje diferencial (V2-V1) aplicado a las entradas; Rin la impedancia de entrada, Ao la ganancia de voltaje, Ro la impedancia de salida y Vo=Ao*Vin el voltaje de salida resultante.

Idealmente, un amplificador operacional posee las siguientes propiedades: 1. La ganancia de voltaje es infinita (Ao=∞). 2. La impedancia de entrada es infinita (Rin=∞). 3. La impedancia de salida es cero (Ro=0). 4. El ancho de banda es infinito (BW=∞). 5. El voltaje de salida (Vo) es cero cuando el voltaje diferencial de entrada (V2-V1) es cero.

CARACTERISTICAS

AMPLIFICADOR OPERACIONAL 741

Este circuito integrado contiene internamente un amplificador diferencial (es capaz de amplificar la diferencia de dos tensiones de entrada) construido principalmente a partir de transistores y resistencias

PINES DEL CI 741

Aunque el chip dispone de ocho patillas (pines) tres de ellas se reservan para funciones especiales el resto, tienen asignadas las siguientes funciones:

Pin Nº 2: entrada de señal inversora.Pin Nº 3: entrada de señal no inversora.Pin Nº 6: terminal de salida.Pin Nº 7: terminal de alimentación positiva (Vcc)Pin Nº 4: terminal de alimentación negativa (-Vcc)

La alimentación del circuito puede realizar mediante una sola pila o mediante dos, en cuyo caso se denomina alimentación simétrica.

El amplificador operacional recibe este nombre porque inicialmente fue diseñado para poder realizar operaciones matemáticas con señales eléctricas formando parte de los denominados calculadores analógicos. Hoy en día se emplea en infinidad de aparatos e instrumentos de la industria, medicina. etc...

En este laboratorio se experimentará con algunas aplicaciones del OPAMS, como son, el inversor, no inversor, sumador, restador, derivador e integrador, que permitirán reforzar la teoría del curso.

MATERIALES Y EQUIPOS:

1 circuito integrado ua741 Resistores: 33k, 1 k, 10k, 8k. 4k, 2 k 1 PROTOBOARD 1 MULTÍMETRO 1 OSCILOSCOPIO 2 generadores de señal

CIRCUITOS A IMPLEMENTAR

CIRCUITO AMPLIFICADOR INVERSOR

En el circuito amplificador inversor, la señal de salida del amplificador realimenta la entrada inversora por medio de una resistencia. En la entrada inversora se conecta una resistencia, mientras que la entrada no inversora se conecta a masa. La señal de salida es invertida (desfasada en 180°) con respecto a la señal de entrada y su amplitud dependerá del cociente entre la resistencia de realimentación y la conectada a la entrada inversora. Escogiendo las resistencias convenientemente se puede obtener la amplificación deseada para una aplicación específica.

Tensión de alimentación: +- 12 v. Valor inicial de Vi = 500 mv. Medir el valor de Vo La ganancia de voltaje Aumentar Vi hasta que la señal de salida se empiece a recortar, en ese

momento anotar el valor de vi.

ViVo

R1k

Ra1k

Rf20k

Valores teóricosResolviendo el circuito teóricamente:

Av=−RfRa

≫¿≫¿>Av=−20 k1k

=−20

V 0=−V i∗Av≫¿≫¿V 0=−V i∗20

Completar las siguientes tablas

Vi (pp) 500 mv 600 mv 700 mv 800 mv 900mv 1 vVo (pp) -10v -12v -14v -16v -18v -20vAv -20 -20 -20 -20 -20 -20

Valores medidos (implementación)

Vi (pp) 500 mv 600 mv 700 mv 800 mv 900mv 1 vVo (pp) -13.5 -16.74 -20.6 -24 -24 -24Av -27 -27.9 -29.42 -30 -26.6 -24

Valores medidos (simulación)Ganancia de voltaje

Av=V 0

V i

Para Vi=500vpp

U1

741

3

2

47

6

5 1

Ra

1kΩ

R1kΩ

V1

250mVpk 1kHz 0°

XSC1

Tektronix

1 2 3 4 T

G

P

Rf

20kΩ

V212V

V312V

Vi (pp) 500 mv 600 mv 700 mv 800 mv 900mv 1 vVo (pp) -10v -11.8v -13.8v -15.9v -17.9v -19.9vAv -20 -19.66 -19.714 -19.875 -19.88 -19.9

¿A qué se debe que la señal de salida se recorta?Dibujar formas de onda de la entrada y la salida, para el caso de Vi = 800 mv y para Vi = 1 vSi se aumenta la señal de entrada en amplificador operacional, aumentará también la salida. Pero hay un límite máximo al que puede llegar la salida (aproximadamente entre 0.8v y 1.2v; menos que la tensión entregada por las fuentes de alimentación). Después de esta tensión, aunque aumentemos la entrada la salida no aumentará

Entonces hay una señal de entrada máxima que hará que la señal de salida llegue también a su máximo. (Máximo permitido por la fuente). Si señal de entrada es mayor a ésta se produce la saturación y la tensión de salida será recortada en los picos negativos y positivos.

IMPLEMENTACIÓN SIMULACION

CIRCUITO 2: SEGUIDOR DE TENSION

Se usa como buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa).La tensión de salida es la misma que la entrada.Idealmente tiene Zin = ∞.

Consiste en realimentar la entrada negativa con la señal de salida e introducir tensión por la entrada positiva. Es muy utilizado en electrónica y consigue que la ganancia en tensión sea igual a la unidad, y, por tanto, la tensión de entrada no es modificada a la salida.Su característica fundamental es que, sin modificar la tensión de entrada, sí que modifica el valor de la impedancia: a la entrada hay un valor muy elevado, y a la salida, una impedancia muy baja. El seguidor de tensión tiene una amplia aplicación como transformador de impedancias; se utiliza para acoplar una fuente de alta impedancia a una carga de impedancia baja.

Valores teóricosV 0=V i

Vi (pp) 1V 2V 5VVo (pp) 1v 2v 5vAv 1v 1v 1v

Completar (valores medidos)

Vi (pp) 1V 2V 5VVo (pp) 1v 2v 5vAv 1v 1v 1v

V1

Valores simulados)

U1

741

3

2

47

6

5 1

V1 0.5Vpk 1kHz 0°

XSC1

Tektronix

1 2 3 4 T

G

P

V212V

V312V

Vi (pp) 1V 2V 5VVo (pp) 1v 2v 5vAv 1v 1v 1v

Circuito 3: AMPLIFICADOR NO INVERSOR

Las características fundamentales del amplificador no inversor es que la señal de salida está en fase con respecto a la señal de entrada y la ganancia del amplificador siempre será mayor que la unidad. En este circuito, al igual que en el circuito del amplificador inversor, la realimentación es negativa, pero la tensión de entrada se aplica a la entrada no inversora.

Valores teóricos

Vi (pp) 1V 1.5 V 2VVo (pp) 11v 16.5v 22vAv 11v 11v 11v

Valores medidos

Vi (pp) 1V 1.5 V 2VVo (pp) 11.5v 17.5v 23.5vAv 15.5v 11.6v 11.75

Valores simulados

U1

741

3

2

47

6

5 1

R11kΩ

V10.5Vpk 1kHz 0°

XSC1

Tektronix

1 2 3 4 T

G

P

Rf1

10kΩ

V212V

V312V

Vi (pp) 1V 1.5 V 2VVo (pp) 10.9v 16.4v 21.9vAv 10.9v 10.933v 10.95v

Dibujar formas de onda de Vi y Vo.

Circuito 4 AMPLIFICADOR SUMADOR

El Circuito Sumador es un circuito muy útil, basado en la configuración estándar del amplificador operacional inversor. Este circuito permite combinar múltiples entradas, es decir, permite añadir algebraicamente dos (o más) señales o voltajes para formar la suma de dichas señales.

APLICACIONES DEL CIRCUITO SUMADOREn un amplificador de precisión, por ejemplo, se puede añadir un pequeño voltaje para cancelar el error de offset del amplificador operacional.Un mezclador de audio es otro ejemplo de la utilización de este circuito: se suman varias ondas (sonido) de diferentes canales (voz, batería, guitarra…) y la señal combinada conseguida se envía a una grabadora.

V1(pp) V2(pp) Vo(pp)500mv 500 mv -2.98v800 mv 500 mv -4.18v500 mv 800 mv -3.6v500 mv 1 v -4.98v

1 v 1 v -6v1 v 1.5 v -8v2 v 2 v -12v2 v 3 v -15.9v3 v 4 v -21.8v

U1

741

3

2

47

6

5 1

XSC1

Tektronix

1 2 3 4 T

G

P

Rf1

8kΩ

V412V

V312V

V1

1.5Vpk 1kHz 0°

V2

1Vpk 1kHz 0°

R1

2kΩ

R2

4kΩ

Grafica para V1 (500mv pp) V2 (500mv pp)

Conclusión:

Podemos concluir que en este tipo de configuración del Amplificador Operacional, podemos tener varias señales de entrada en la entrada del amplificador operacional con distintos valores de tensión la cuales pueden sumarse y restarse según sea los valores de las tensiones este resultado ingresa por la entrada del AO Terminal negativo (-) por lo tanto la señal Vo resultante debería Salir desfasada en el caso que los valores de tensión correspondan a corriente alterna.

CIRCUITO INTEGRADOR

El circuito integrador es capaz de obtener a la salida una tensión que es proporcional a la integral, con respecto al tiempo, de la tensión de entrada. Este circuito es igual al amplificador inversor, pero en este caso la realimentación negativa se realiza a través de un condensador y no a través de una resistencia.La principal aplicación de estos circuitos es generar rampas de tensión que se controlan mediante la tensión de entrada. El integrador presenta una configuración de amplificador inversor; por tanto, si la tensión de entrada es positiva, la rampa de salida tiene pendiente negativa, si la tensión de entrada es negativa, la rampa de salida tiene

pendiente positiva, y si la tensión de entrada es cero, la salida será un valor de tensión constante.

V2 = 1 VOLTIOS pico (Onda cuadrada) fs = 0.5 Khz.

U1

741

3

2

47

6

5 1

V212V

V312V

R11kΩ

R2

1kΩ

C1

0.1µF

XSC1

Tektronix

1 2 3 4 T

G

P

XFG1

Dibujar Vi y Vo (simulado y del osciloscopio)

Vo = ____10v_______ (simulado)Vo= _____13.2v__________ (medido en osciloscopio)

CIRCUITO DERIVADOR

La construcción de un circuito derivador es muy similar a la de un integrador. La realimentación negativa se realiza a través de una resistencia y la tensión de entrada se aplica a la entrada inversora a través de un condensador, sustituyendo a la resistencia que aparece en el amplificador inversor. Este circuito obtiene a la salida la derivada de una tensión de entrada.

V1 = 1 voltios p (onda cuadrada) frecuencia: 0.5 Khz.

U1

741

3

2

47

6

5 1

V212V

V312V

R11kΩ

XSC1

Tektronix

1 2 3 4 T

G

P

C2

0.01µF

R2

1kΩ

XFG1

Vo = ____6.34v_______ (simulado)Vo= _____9.7v__________ (medido en osciloscopio)

Dibujar Vi y Vo (Simulado y del osciloscopio)

CONCLUSIONES

Pudimos concluir que en el Amplificador no inversor la señal de entrada fue amplificada 11 veces debido a los valores de Rf y R1 y no hubo cambios en su fase de amplitud debido a que la señal de entrada ingreso por el Terminal positivo de nuestro Amplificador Operacional.

Concluimos que el AO cumple con la regla de sus terminales positivo o negativo y hemos comprobado en dos casos que si la señal de entrada entra por un Terminal positivo la señal de salida va salir en fase con la señal de entrada y si la señal de entrada entra por el Terminal negativo la señal de salida saldrá desfasada y la ganancia va ser negativa.

También observamos que los cálculos teóricos fueron casi exactos al momento de comparar los valores multisim laboratorio y teoría.

El AO sumador, al tener más de una señal de entrada el AO sumador las suma y dependiendo porque Terminal de entrada del AO ingrese el resultado será negativo o positivo en fase o en desfase.

Finalizada la práctica podemos definir al AO como un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señales normales o definidas por fabricantes estas pueden ser manejadas por configuraciones básicas de un amplificador operacional o por medio de Operaciones lógicas básicas.