Electronica de potencia

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

1) OBJETIVOS:

Implementar y analizar circuitos con amplificadores.

Comprobar las diversas configuraciones en las que puede ser usado el amplificador

operacional.

2) EQUIPOS Y MATERIALES

1 Osciloscopio digital

1 Multímetro digital

1 Generador de ondas

1 PROTOBOARD

1 Fuente DC

Resistores: 1x5K , 3x100K , 1x20K , 1x200K , 4x10K , 1xPOT.10K , 2x400K,

1x50K,2x47K,1x68K,1x33K

OPAMP : 2xM741C

3) FUNDAMENTO TEÓRICO

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Son circuitos integrados con un nivel de componentes y estructura interna

complicada por lo que los vamos a estudiar desde fuera como cajas negras. Su

símbolo es el siguiente:

La alimentación del circuito se realiza por medio de dos fuentes de alimentación

(alimentación simétrica).El terminal de referencia de tensiones (masa) no está

conectado directamente al amplificador operacional. La referencia de tensiones

debe realizarse a través de elementos externos al operacional tales como

resistencias.

Tienen dos entradas la - que se denomina “inversora” y la + que se denomina “no

inversora” y una salida Vo. Se alimentan a través de dos terminales uno con

tensión positiva +V y otro con tensión negativa -V. Adicionalmente pueden tener

otros terminales específicos para compensación de frecuencia, corrección de

derivas de corriente continua etc.

Se encuentran integrados de forma que en una pastilla puede haber 1, 2 ó 4 OP

(amplificadores operacionales). En el caso de 4 el número de patillas mínimo es

3x4(I/O)+2(alim)=14. Son muy baratos (más que muchos transistores).

Existen varios modelos de OP. Vamos a estudiar en primer lugar el IDEAL. Es un

modelo simplificado que se adapta bien al comportamiento real. Sin embargo a

veces necesitaremos aproximarnos más con lo que describiremos el modelo REAL

que es el ideal más una serie de imperfecciones.

AMPLIFICADOR INVERSOR

Vamos a calcular su ganancia en lazo cerrado G y su resistencia de entrada Ri.

Como V+= 0. Esto se conoce como

TIERRA VIRTUAL ya que está como conectada a tierra pero sin está unida a tierra,

será V- estarlo.

I=V iR1

V 0=−I .R2

V 0=−V iR1

.R2

V 0

V i=

−R2

R1

=G

AMPLIFICADOR INVERSOR

La resistencia de entrada se obtendrá

Rent=V iI

=V i0

=∞

I 1=V iR1

V 0=I 1 .R2+V i

V 0=V iR1

. R2+V i

V 0

V i=R2

R1

+1=G

SEGUIDOR DE VOLTAJE

El seguidor de tensión es aquel circuito que proporciona a la salida la misma

tensión que a la entrada, independientemente de la carga que se le acopla, que es

tanto como decir, independientemente de la intensidad que se demande. Esta

aplicación es importante en la amplificación de señales que teniendo un buen nivel

de tensión son de muy baja potencia y por tanto se atenuarian en el caso de

conectarlas a amplificadores de mediana o baja impedancia de entrada.

A la vista del circuito de la figura y aplicando el concepto de cortocircuito virtual

tenemos que I1=0 y la tensión en el terminal no inversor es igual que la tensión en

el terminal inversor, con lo que podemos afirmar que Vi=Vo. También podemos

decir que I2=0 con lo cual la carga demandará la corriente por I3 únicamente,

permaneciendo aisladas la entrada y la salida del amplificador operacional.

4) PROCEDIMIENTO

A. AMPLIFICADOR INVERSOR

1) Armar el circuito de la figura mostrada.

Voa

-12V

12V

R2100k

R45k

R3100k

Ri5k +

2) Conectar la entrada “a” a tierra y medir con el voltímetro la tensión continua en

Vo: esta deber ser cero. Si la tensión Vo no es cero, conecte un potenciómetro

entre el pin 1 y el pin 5 del 741 y el terminal variable del potenciómetro conecte a

la fuente negativa; accione el potenciómetro hasta lograr que Vo sea cero.

3) Seleccione en el generador de ondas una tensión senoidal de 200mV pico a pico,

con una frecuencia de 100Hz y conecte dicha señal entre “a” y tierra.

4) Utilizando el osciloscopio, observar la forma de onda en la salida Vo y compare con

la señal que ingresa en “a”, grafique ambas ondas.

5) Hallar experimentalmente la ganancia del amplificador.

B. AMPLIFICADOR NO INVERSOR


aVo

-12V

12V

R250k

R45k

R3400k

Ri20k +

2) Repetir el paso 2 de la parte A.

3) Seleccione en el generador de ondas una tensión senoidal de 200mV pico a pico con

una frecuencia de 1Khz y conectar entre “a” y tierra.

4) Repetir el paso 4 y 5 de la parte A.

C. AMPLIFICADOR SEGUIDOR EMISIVO


Voa

-12V

12V

R220k

R45k

R3200k

+

2) Seleccione en el generador de ondas una tensión senoidal de 500mV pico a pico con

una frecuencia de 2Khz y conecte entre “a” y tierra.

3) Con el osciloscopio observar la forma de onda en Vo y comparar con la señal que

ingresa en “a”, grafique ambas ondas.

4) ¿Qué relación hay entre la salida y la entrada?

D. SUMADOR Y RESTADOR


Vo

V1

V2V

VA

B

12V

68k

33k

100k

R347k

R147k

-12V

12V

R2100k

R45k

R4100k

+

2) Hallar en forma teórica V1 y V2, así mismo hallar Vo en función de VA y VB para los

siguientes casos:

Si: VA = V1 y VB = V2

VA = V2 y VB = V1

3) Usando el osciloscopio medir Vo para los casos del paso 2, ¿hay diferencia? Mida

con el multímetro V1 y V2 y compare con los valores hallados en el paso 2.

4) ¿En cuál de los casos del paso 2, es sumador y en cual es restador?

5) ANÁLISIS Y RESULTADOS

DATOS DE LABORATORIO

Circuito A

f

V i V 0

99.5Hz 196mV 3.28V

Tabla 1

Circuito B

f

V i V 0

1kHz 186mV 576mV

Tabla 2

Circuito C

f

V i V 0

2kHz 508mV 508mV

Tabla 3

Circuito D

Parte a

V A V B V 0 V 1 V 2

V 1 V 2

6.32V 2.952V 1.991V

Tabla 4

Parte b

V A V B V 0 V 1 V 2

V 2 V 1

3.082V 4.52V 3.053V

Tabla 5

Análisis de los circuitos

Circuito A

Los datos experimentales tomados con el osciloscopio son los de la tabla 1.

Entonces la ganancia experimental será:

ACL=V 0

V i= 3.28V

196mV=16.73

Circuito B



ACL=V 0

V i=576mV

186mV=3.09

Circuito C



ACL=V 0

V i=508mV

508mV=1

Circuito D

Calculamos V1 y V2 de forma teórica respectivamente:

V 1=33k+68k

100k+33k+68k×12V=6.029V

V 2=68k

100k+33k+68k×12V=4.059V

Analizando el circuito para ver cómo funciona

V+¿=

R4

R4+R 3

V B ¿

La corriente que circula por R1 es la misma que circula por R2, entonces tenemos:

I=V A−V

−¿

R1

=V−¿−V o

R2

¿¿

Despejando V−¿ ¿ tenemos:

V−¿=

R2V A+R1V oR1+R 2

¿

Igualando la entrada inversora y no inversora del amplificador, así como despejando

“Vo”, tenemos:

V +¿=V−¿¿ ¿

R4

R4+R3

V B=R2V A+R1V oR1+R2

R4(R1+R2)R1(R4+R3)

V B−R2

R1

VA

=V o

Reemplazando los valores de las resistencias tenemos:

V o=100k (47k+100k )47 k (100k+47k )

V B−100k47 k

VA

V o=1

0.47V B−

10.47

VA

Reemplazando los valores de los voltajes calculados para cada caso anterior

tenemos:

Tomando los valores previamente calculados de V 1=6.029V y V 2=4.059V


V o=1

0.47V B−

10.47

VA

V o=1

0.474.059− 1

0.476.029

V o=−4.19V


V o=1

0.47V B−

10.47

VA

V o=1

0.476.029− 1

0.474.059

V o=+4.19V

6) CUESTIONARIO

Compare las características técnicas de los amplificadores operacionales LM741, LM308

y TL082.

Características del op.amp LM741:

Impedancia de entrada: 2 M

Impedancia de salida: 150

Ganancia de tensión de lazo abierto: 110000

Ancho de banda: 1 Mhz.

Corriente de polarización: 200nA

Tensión de alimentación máxima: ±18 V

Tensión máxima de entrada: ±13 V

Tensión máxima de salida: ±14 V

Relación de rechazo de modo común RRMC: 90 dB

Características del op.amp TL082:

Contiene 2 op.amps TL081.

Ganancia de tensión: 300.000 máx

Impedancia de entrada: 1 M

Impedancia de salida: 50

Ancho de banda: 4 Mhz.

¿Para cada una de los amplificadores implementados graficar las ondas tanto de entrada

como salida y verificar si están en fase?

Amplificador Inversor

Amplificador no Inversor

Seguidor Emsivo

¿Qué opinión puede emitir acerca del OFFSET? ¿Se puede controlar?

Es la diferencia de tensión que se obtiene entre los dos pines de entrada cuando la tensión de salida es nula, este voltaje es cero en un amplificador ideal lo cual no se obtiene en un amplificador real. Esta tensión puede ajustarse a cero por medio del uso de las entradas de offset (solo en algunos modelos de operacionales) en caso de querer precisión. El offset puede variar dependiendo de la temperatura (T) del operacional como sigue:

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

V OFFSET=V OFFSET (¿ )+∆V OFFSET∆T

(T−¿)

7) OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

Se pudo comprobar experimentalmente que el amplificador operacional M741C

obtiene resultados similares a los esperados por la teoría.

En el primer circuito y sin aplicar un potenciómetro entre las entradas 1 y 5 para

regular el offset se obtuvo un voltaje de salida de 0.2 V. Consideramos que este

valor era lo suficientemente bajo como para considerarlo despreciable, por lo que

no se uso un potenciómetro.

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