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Taller De Electrónica
Amplificador Operacional Inversor
Carlos Andrés Ortiz Navarro
Estudiante De Ingeniería Mecatrónica
IV Semestre
Grupo AD.
Universidad Autónoma Del Caribe
Barranquilla, Colombia.
2013
1. INTRODUCCION
El concepto original del AO
(amplificador operacional) procede
del campo de los computadores
analógicos, en los que comenzaron
a usarse técnicas operacionales en
una época tan temprana como en
los años 40. El nombre de
amplificador operacional deriva del
concepto de un amplificador dc
(amplificador acoplado en continua)
con una entrada diferencial y
ganancia extremadamente alta,
cuyas características de operación
estaban determinadas por los
elementos de realimentación
utilizados. Cambiando los tipos y
disposición de los elementos de
realimentación, podían
implementarse diferentes
operaciones analógicas; en gran
medida, las características globales
del circuito estaban determinadas
solo por estos elementos de
realimentación. De esta forma, el
mismo amplificador era capaz de
realizar diversas operaciones, y el
desarrollo gradual de los
amplificadores operacionales dio
lugar al surgimiento de una nueva
era en los conceptos de diseñó de
circuitos.
Los primeros amplificadores
operacionales usaban el
componente básico de su tiempo: la
válvula de vacio. El uso
generalizado de los AOs no
comenzó realmente hasta los años
60, cuando empezaron a aplicarse
las técnicas de estado sólido al
diseño de circuitos amplificadores
operacionales, fabricándose
módulos que realizaban la circuiteria
interna del amplificador operacional
mediante el diseño discreto de
estado sólido. Entonces, a
mediados de los 60, se introdujeron
los primeros amplificadores
operacionales de circuito integrado.
En unos pocos años los
amplificadores operacionales se
convirtieron en una herramienta
estándar de diseño, abarcando
aplicaciones mucho más allá del
ámbito original de los computadores
analógicos.
Para regular la ganancia se utiliza el
método de retroalimentación
degenerativa:
La ganancia queda dada como:
Av=−RfRi
Av=e0ei
e0ei
=−RfRi
El factor de retroalimentación:
Β= efe0
El amplificador operacional inversor
tiene múltiples usos en los circuitos
analógicos del equipo electrónico.
2. MARCO TEORICO
Si existe un elemento estrella en
los sistemas electrónicos
analógicos ese elemento es sin
duda el amplificador operacional.
Con él podremos amplificar
señales, atenuarlas, filtrarlas,
etc. Los sistemas de control
analógico encuentran en el
amplificador operacional un
elemento de conmutación
sumamente simple e incluso
años atrás fue empleado para el
diseño de computadoras
analógicas (de ahí el nombre de
operacionales).
El conocimiento a nivel básico
del amplificador operacional
proporciona al diseñador una
herramienta de valor
incalculable.
Partir del amplificador
operacional sin siquiera conocer
el funcionamiento del transistor
podría parecer un error. Esta
consideración pierde importancia
si tenemos en cuenta que en la
actualidad el transistor como
componente discreto ha
quedado relegado a usos muy
puntuales, siendo su coste
similar al de un amplificador
operacional. Ante esta situación,
la respuesta correcta es
disponer en primer lugar de los
conocimientos necesarios para
operar con amplificadores
operacionales y posteriormente
abordar la teoría clásica de
transistor, por ser esta última
más compleja.
EL MODELO IDEAL
Un amplificador operacional es
un dispositivo electrónico activo
siendo capaz de ofrecer una
tensión de salida en función de
una tensión de entrada. Vamos a
considerar única y
exclusivamente el amplificador
operacional ideal, que aun no
existiendo en la vida real, es una
aproximación muy precisa y
perfectamente válida para el
análisis de sistemas reales. Un
amplificador operacional
presenta cinco patillas. Dos de
ellas son las entradas del
dispositivo; la primera de ellas
llamada entrada inversora se
halla indicada en los esquemas
con un signo menos, la otra
denominada entrada no
inversora se indica mediante un
signo más. Otro de las patillas
del amplificador operacional
corresponde a la salida del
dispositivo mientras que las dos
restantes corresponden a la
alimentación requerida por el
dispositivo (±Vcc).
Una vez nos hemos familiarizado
con las patillas podemos pasar a
indicar las características de un
amplificador operacional. Debido
a que en ningún momento
entraremos en el diseño interno
del circuito deben ser asumidas.
Recordamos una vez más que
son características teóricas, si
bien las reales se aproximan a
las teóricas:
Ancho de banda infinito
(podemos trabajar con
señales de cualquier
frecuencia).
Tiempo de conmutación nulo
Ganancia de tensión infinita.
Impedancia de entrada
infinita.
Impedancia de salida nula.
Corrientes de polarización
nulas.
Tensión de desplazamiento
nula (si bien no es
estrictamente cierto, diremos
que la diferencia de potencial
entre las entradas inversora y
no inversora nula).
Margen dinámico ±Vcc (la
tensión de salida puede a
nivel teórico alcanzar el valor
de la tensión de alimentación,
en la práctica se aproxima
pero no puede ser igual ya
que se producen
saturaciones en el
dispositivo).
AMPLIFICADOR INVERSOR
La configuración más sencilla es
la inversora. Dada una señal
analógica (por ejemplo de audio)
el amplificador inversor
constituye el modo más simple
de amplificar o atenuar la señal
(en el ejemplo propuesto
modificar el volumen de la
señal).
Se comenzará por la
configuración más adecuada
para nuestros propósitos:
el modo amplificador inversor.
Hemos afirmado anteriormente
que la impedancia de entrada
del dispositivo es infinita, por lo
cual no circulará corriente en el
interior del amplificador
operacional y las resistencias R1
y R2 estarán dispuestas en
serie.
3. EQUIPOS Y DISPOSITIVOS
UTILIZADOS
Osciloscopio.
Voltímetro digital.
Generador A-F.
Resistencias de: 1KΩ,
10KΩ, 2.2KΩ
Protoboard
Potenciómetro de 10KΩ
Amplificador operacional:
UA741
4. MONTAJE:
3.1 MOSTRAR COMO FUNCIONA
UN AMPLIFICADOR INVERSOR
CON OPERACIONAL INTEGRADO
Y MEDIR SU CORRIMIENTO DE
FASE ENTRE ENTRADA Y
SALIDA
3.1.1. Alambre el circuito de la
figura 3.1.1
Figura 3.1.1
3.1.2. Ajuste a R1 al rango
intermedio y ajuste la fuente de
energia a +15V y -15V. Conéctelas
al circuito.
3.1.3. Balancee su circuito de la
sgte manera: (a) Conecte el
voltímetro a través de la resistencia
de carga R5. (b) Conecteuan tierra
temporal desde el aldo de la entrada
de R2 al común del circuito. (c)
Ajuste el potenciómetro de balance
R1 para indicación cero en el
voltímetro. (d) Desconecte la tierra
temporal de R2. (e) Desconecte el
voltímetro.
3.1.4. Ajuste el generador de AF
para una salida de onda seno a una
frecuencia de 2 KHz. Conecte la
salida a la entrada de R2.
3.1.5. Ajuste los controles del
osciloscopio así:
Sincronismo externo a la salida del
generador
T/D 0.1 mS
Fuente a sincronismo externo
Pendiete +
3.1.6. Con el canal 1 ajuste el
generador para una salida de 1 Vpp.
3.1.7. Mida con el osciloscopio la
salida del A.O y registre el voltaje de
salida. Dibuje la froma de onda de
salida y entrada.
eo = 9.2 Vpp
3.1.8. Desconecte el osciloscopio y
generador de AF
3.2 DETERMINAR EL EFECTO DE
LA RESISTENCIA DE
RETROALIMENTACIÓN EN LA
GANANCIA DE UN A.O
3.2.1. Ajuste el osciloscopio así:
T/D= 0.5mS y fuente= canal 1
3.2.2. Ajuste la salida del generador
de AF a 100 mVpp, conéctelo a la
entrada del A.O.
3.2.3. Mida y anote el voltaje de
salida del A.O
eo = 1.24 Vpp
3.2.4. Calcule la ganancia de
voltaje del A.O utilizando los voltajes
de entrada y salida
Av = eo / ei = 1.24Vpp / 0.068Vpp =
18.2
3.2.5. Calcule la ganancia teórica
del A.O utilizando los valores de
retroalimentación y resistencia de
entrada (R4 y R2).
Av = Rf / Ri = R4 / R2 = 10KΩ / 1Ω
= 10
3.2.6. Compare los resultados de
3.2.4. y 3.2.5. ¿ Concuerdan los dos
valores de ganancia dentro de la
torelancia de los elementos?
Si concuerdan.
3.2.7. Calcule la ganancia del
circuito, si cambia la resistencia de
retroalimenteación de 10KΩ a
100KΩ
Av = Rf / Ri = R4 / R2 = 100KΩ / 1Ω
= 100
3.2.8. Calcule el voltaje de salida si
Rf es de 100KΩ y ei es de 100
mVpp
eo / ei = - Rf / Ri
eo = ( - Rf / Ri ) ei
eo =10Vpp
3.2.9. Reduzca el voltaje de la
fuente a cero. Cambia el valor de
R4 de 10KΩ a 100KΩ en su circuito
3.2.10. Ajuste la fuente a +15V y -
15V. verifique el voltaje de salida del
generador (100mVpp)
3.2.11. Mida el voltaje de salida del
A.O
eo = 12.4 Vpp
3.2.12. Compare el valor medido
del voltaje contra el calculado en
3.2.8. Deben ser iguales dentro de
la tolerancia de los componentes del
circuito.
3.2.13. Calcule la nueva ganancia
utilizando los valores medidos de ei
y eo
Av = eo / ei = 1.24Vpp / 0.066Vpp =
187.8
3.2.14. Reduzca el voltaje de la
fuente a cero voltios.
3.3 MEDIR LA RESPUESTA EN
FRECUENCIA DE UN A.O
INVERSOR Y MOSTRAR EL
EFECTO DE UN CAMBIO DE LA
RESISTENCIA DE
RETROALIMENTACIÓN EN EL
ANCHO DE BANDA
3.3.1. Ajuste el voltaje de la fuente
a +15V y -15V. Ajuste el voltaje de
salida del generador de AF a
10mVpp a una frecuencia de 20Hz
3.3.2. Con el osciloscopio mida el
voltaje de salida del A.O. Anotelo en
la tabla frente a la frecuencia de
20Hz en la columna de Rf= 100KΩ
3.3.3. Repita el proceso del paso
3.3.2 para cada frecuencia de la
tabla. Para cada medición,
asegúrese que el voltaje de entrada
sea de 10mVpp antes de hacer la
medición.
3.3.4. Desconecte la fuente del
circuito. Cambie la resistencia de
retroalimetación R4 de 100KΩ por
uan de 10KΩ
3.3.5. Reajuste el generador de AF
para un voltaje de salida de
100mVpp y repita las mediciones
del voltaje de salida del A.O para
cada una de las frecuencias de la
tabla. Anote los resultados en la
columna de Rf=10KΩ. Para cada
medición, asegúrese que el voltaje
de entrada sea de 100mVpp antes
de hacer la medición.
3.3.6. Desconecte la fuente del
circuito y desármelo
FRECUENCIA
VOLTAJE DE SALIDA (Vpp). Rf = 100KΩ
VOLTAJE DE SALIDA (Vpp). Rf = 10KΩ
20 Hz 11,6 1,16200 Hz 12,6 1,242 KHz 12,4 1,285 KHz 11,6 1,2810 KHz 9,2 1,2215 KHz 7,2 1,220 KHz 6 1,225 KHz 4,8 1,230 KHz 4,1 1,1650 KHz 2,4 1,0670 KHz 1,7 1100 KHz 1,2 0,84125 KHz 0,96 0,74150 KHz 0,8 0,64200 KHz 0,8 0,52
5. INTERROGANTES:
4.1¿Cuál de los siguientes cambios
mejora la respuesta en frecuencia
de un A.O inversor?
a) Aumentar la resistencia de Ri
b) Aumentar la resistencia de Rf
c) Aumentar la resistencia de Rl
d) Aumentar el voltaje de la fuente
de energía
4.2 Si se aumenta el valor de Rl,
¿Qué efecto tiene la ganancia del
A.O?
a) La aumenta
b) Se mantiene constante
c) la disminuye
d) Ninguno de las anteriores
4.3¿Cuál es el valor de ei de un A.O
si Av es de 50 y eo es de 5V?
a) 10 voltios
b) 1 voltio
c) 100miliVoltios
d) 10 miliVoltios
4.4En la pregunta 5.3 si Rf= 50KΩ,
¿Cuál es el valor de Ri?
a) 5000Ω
b) 2500 Ω
c) 10000 Ω
d) 1000 Ω
4.5En las preguntas 5.3 y 5.4, si se
aumenta Rf hasta 100KΩ, ¿Qué
efecto tiene el ancho de la banda?
a) Lo aumenta
b) Lo disminuye
c) Lo mantiene igual
d) Ninguno de los anteriores
CONCLUSIONES
Todas las características de los
circuitos que se han descrito, son
importantes, puesto que, son las
bases para la completa
fundamentación de la tecnología de
los circuitos amplificadores
operacionales.
Los cinco criterios básicos que
describen al amplificador ideal son
fundamentales, y a partir de estos
se desarrollan los tres principales
axiomas de la teoría de los
amplificadores operacionales, los
cuales son:
La tensión de entrada
diferencial es nula.
No existe flujo de corriente en
ninguno de los terminales de
entrada.
En bucle cerrado, la entrada
(-) será regulada al potencial
de entrada (+) o de
referencia.
Estos tres axiomas se han descrito
en todos los circuitos básicos y sus
variaciones. En la configuración
inversora, los conceptos de
corriente de entrada nula, y de
tensión de entrada diferencial cero,
dan origen a los conceptos de nudo
de suma y tierra virtual, donde la
entrada inversora se mantiene por
realimentación al mismo potencial
que la entrada no inversora a masa.
El funcionamiento esta solamente
determinado por los componentes
conectados externamente al
amplificador.
5. BIBLIOGRAFIA
(1) Circuitos y señales. Introducción
a los sistemas lineales y de
acoplamiento. Autor: Thomas
Rosa. Editorial Reverté.
(2) Microelectronic Circuits. Autores:
Sedra/Smith. Editorial Oxford
University Press.