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.