Electronica de potencia
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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
1) Armar el circuito de la figura mostrada.
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
1) Armar el circuito de la figura mostrada.
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
1) Armar el circuito de la figura mostrada.
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
Los datos experimentales tomados con el osciloscopio son los de la tabla 2.
Entonces la ganancia experimental será:
ACL=V 0
V i=576mV
186mV=3.09
Circuito C
Los datos experimentales tomados con el osciloscopio son los de la tabla 3.
Entonces la ganancia experimental será:
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
Si: VA = V1 y VB = V2
V o=1
0.47V B−
10.47
VA
V o=1
0.474.059− 1
0.476.029
V o=−4.19V
Si: VA = V2 y VB = V1
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:
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.