Laboratorio de electrnica II Universidad del Valle

UNIVERSIDAD DEL VALLE ESCUELA DE INGENIERIA ELCTRICA Y ELCTRONICA CTEDRA DE PERCEPCIN Y SISTEMAS INTELIGENTES

LABORATORIO N 1 ELECTRNICA II

CARACTERSTICAS BSICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

1. INTRODUCCIN

Uno de los dispositivos electrnicos ms verstiles y usados en el desarrollo de aplicaciones lineales es el amplificador operacional. Los amplificadores operacionales poseen una enorme ganancia de voltaje y es por ello que se usan en bucle cerrado, donde las caractersticas dependern nicamente de la red de realimentacin, esto en condiciones ideales.

Existen cientos de amplificadores operacionales disponibles, ofreciendo diferentes caractersticas y desempeos, que el ingeniero debe identificar para seleccionar el ms apropiado para su diseo.

2. OBJETIVOS

Identificar las principales caractersticas de los amplificadores operacionales

reales. Analizar los efectos de la realimentacin negativa en los amplificadores

operacionales como impedancia de entrada, impedancia de salida, ganancia y ancho de banda,

3. MATERIALES Amplificadores operacionales LF353 Y LM741 2 resistencias 330k 2 resistencias 100 1 resistencia 100k 1 Potenciometro 10k 1 resistencia 1k 1 resistencia 10k 1 resistencia 9k (construir el arreglo)

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4. GENERALIDADES

Un amplificador operacional consiste en un arreglo de atapas diferenciales para conseguir una muy alta ganancia de voltaje. Un amplificador operacional bsico consta de dos entradas y una salida como se muestra en la figura 1, los terminales de alimentacin del dispositivo frecuentemente no son mostrados.

Figura 1. Amplificador operacional bsico

El modelo de un amplificador operacional es una buena aproximacin para seales de baja frecuencia. Los amplificadores operacionales ideales, poseen las siguientes caractersticas:

Resistencia de entrada infinita. Resistencia de salida cero. Ganancia de voltaje infinita. Ancho de banda infinito. Offset de voltaje igual a cero. No hay cambios en estos parmetros cuando un cambio de temperatura ocurre.

El amplificador operacional esta destinado para hacer su uso con elementos de realimentacin externos, que determinan la funcin operacin resultante del circuito. De acuerdo a la conexin de los elementos externos de realimentacin, el amplificador en bucla cerrada define las caractersticas de ganancia y respuesta en frecuencia.

Caracterstica reales del amplificador operacional

En la prctica, los dispositivos reales poseen una ganancia muy alta pero, no es precisamente conocida. No es recomendable el uso de amplificadores operacionales en bucla abierta en condiciones reales dado que se est expuesto a condiciones de control y estabilidad dada la alta ganancia que se tiene. El ruido aleatorio generado a la entrada y por el operacional en s mismo, ms la variaciones de temperatura a las que se encuentra expuesto el dispositivo multiplicado por la gran ganancia de bucla abierta (x100000 tpica) hacen que pequeas variaciones se hagan evidentes. Hasta pequeas variaciones en los procesos de manufactura afectan. Las caractersticas de lazo abierto de los amplificadores operacionales reales son dados como especificaciones de valores tpicos pues varan en cada dispositivo.

U1

OPAMP

+

-

OUT

Vcc

Vee

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1) Corriente de polarizacin y offset

Idealmente, por un amplificador operacional no fluye corriente por los terminales de entrada, en la prctica a menudo se obtienen dos corrientes, uno por la terminal + y otra por la -.

La corriente de polarizacin es un problema en los amplificadores operacionales porque esta fluye en impedancias externas, la red de realimentacin o la fuente de polarizacin y produce voltajes, el cual aade errores al sistema. En sistemas sensibles estos errores en el orden de mV no son triviales.

La corriente de offset (Ios) corresponde a la diferencia entre las corrientes entre los terminales + y y es resultados de los procesos de manufactura, tpicamente esta entre y 1/10 de la corriente de polarizacin.

2) Voltaje de offset

Los amplificadores operacionales no tienen perfectamente balanceadas las entradas, por ello los voltajes de la entrada + y no son los mismos. Si se conectan las dos entradas juntas a la seal de entrada cero (en bucla abierta), la salida ser usualmente saturada a Vcc o Vee (no se puede determinar a cual de los dos).

Este parmetro puede ser compensado, en algunos amplificadores, con una entrada para variar el voltaje mediante un potencimetro. Esta compensacin solo sirve en estados iniciales donde las variaciones del dispositivo respecto a la temperatura sean pequeas.

3) Ganancia y ancho de banda

La ganancia de voltaje de un amplificador operacional est usualmente entre los 100000 y 1000000.

Esta ganancia disminuye con el incremento de la frecuencia de la seal de entrada hasta decaer a la ganancia unitaria. El valor de la frecuencia para esta ganancia se especifica por el fabricante como el ancho de banda unitario f1, usualmente la ganancia es dada en decibelios. Otro valor de frecuencia de inters es el valor al cual la ganancia decae a 3dB, siendo sta la frecuencia de corte del amplificador operacional fc

4) Impedancia de entrada y salida

La impedancia de entrada se refiere a la impedancia en modo diferencial y es la impedancia vista desde uno de los terminales de entrada y la otra entrada referenciada a tierra y usualmente es mucho menor que la impedancia de modo comn (figura 2). Estas impedancias son usualmente resistivas

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Figura 2. Amplificador Diferencial. Zdiff-impedancia diferencial, Zcm+ Zcm- impedancia de modo comn

La impedancia de salida usualmente es pequea.

5. PROCEDIMIENTO

Realice los montajes indicados en cada uno de los puntos, realice las medicines y consigne en las tablas entregadas al final. Todos los amplificadores se deben alimentar a +12v y -12v

1) Corrientes de polarizacin y offset de entrada a) Monte el circuito de la figura 3 con el amplificador operacional LM741

Figura 3. Circuito para medicin de corrientes de polarizacin y offset de entrada

b) Mida las tensiones de la entrada inversora y no inversora del operacional con respecto a tierra y determine las corrientes de polarizacin y offset de entrada.

c) Repita el procedimiento para el LM353. 2) Voltaje de offset

a) Monte el circuito de la figura 4 con el amplificador operacional LM741

0

U1

OPAMP

+

-

OUT

R1

330k

R2

330k

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Figura 4. Circuito para determinar el offset de salida

b) Realice la medicin del voltaje de salida y determine el valor de offset de entrada teniendo en cuenta la ganancia del circuito.

c) Modifique el circuito de la figura 4, aadiendo a la entrada no inversora una resistencia de 100 como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Circuito modificado para la medicin de voltaje de offset.

d) Determine nuevamente el voltaje de offset de salida. Como es el voltaje offset respecto al medido en el punto b?

e) Aadir al circuito de la figura 5 los elementos para la correccin de offset como se muestra en la figura 6.

U2

OPAMP

+

-

OUT

R3

100k

R4

100

0

U3

OPAMP

+

-

OUT

R5

100k

R6

100

0

R7

100

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Figura 6. Circuito de correccin de offset LM741 f) Ajuste la resistencia variable de 10k hasta que la seal de salida sea lo ms pequea

posible g) Repita los puntos a) hasta d) con el amplificador operacional LF353.

3) GANANCIA

a) Monte los circuitos de la figura 7 y 8 y determinar de forma experimental la ganancia y los voltajes de saturacin positiva y negativa, para el LM741 y el LF353

Figura 7. Amplificador configuracin inversor Figura 8. Amplificador configuracin no inversor

4) IMPEDANCIA DE ENTRADA Y SALIDA

a) Determinar de forma experimental las impedancias de entrada y salida de los montajes de la figura 7 y 8 para el LM741 y el LF353. (NOTA: recuerde que el amplificador operacional tiene una corriente mxima que puede entregar, no la exceda al medir la impedancia de salida).

LM741

+3

-2

V+7

V-4

OUT6

OS11

OS25

R8

100

R9

100

R10

100k

10K

0

Vout

+12

-12

U5

OPAMP

+

-

OUT

R12

10k

R13

1k

0

VoutVin

U6

OPAMP

+

-

OUT

R14

9k

R15

1k

0

Vout

Vin

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5) ANCHO DE BANDA a) Para el circuito de la figura 7 construya el diagrama de magnitud de la respuesta en

frecuencia para el LM741 y el LF353. Determine la frecuencia de corte. b) Cambie la resistencia R12 por una de 100k y 7 construya el diagrama de magnitud

de la respuesta en frecuencia para el LM741 y el LF353. Determine la frecuencia de corte.

PREINFORME

1- Consulte las hojas de datos del LM741 y el LF353 y tome los siguientes datos: corrientes de polarizacin y offset, voltaje de offset, impedancia de entrada, impedancia de salida y ganancia del amplificador en circuito abierto

2- Identifique los pines de los amplificadores operacionales y explique la utilidad de cada uno de ellos.

3- Simule los puntos 3 y 5 del procedimiento. 4- Determine de forma terica las impedancias de entrada y salida de los circuitos de

las figura 7 y 8. Plantee una metodologa para la medicin de dichos valores y simule la metodologa propuesta.

5- Llevar el da de la prctica las tablas para la toma de datos

INFORME

1- Consigne todos los valores obtenidos en la prctica. 2- Compare los valores obtenidos durante la prctica con los datos tericos (hoja de

datos del fabricante o calculado) y justifique las diferencias obtenidas. 3- Responda las preguntas plateadas en el procedimiento. 4- Si durante la prctica realiz cambios en el procedimiento para la medicin de las

impedancias de entrada y salida justifique. 5- Indique que cambios deben realizarse al circuito de la figura 6 para que:

a. Incrementar la ganancia en un 50% b. La frecuencia de corte aumente 10 veces.

6- Compare los resultados obtenidos con el amplificador LM741 y LF353 para cada uno de los puntos de la prctica e indique las ventajas y desventajas de cada uno. Indique brevemente a que se deben las diferencias entre estos amplificadores.

7- Conclusiones y bibliografa.

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BIBLIOGRAFA

Horowitz, Paul. The art of electronic. 1989.

http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-038.pdf

http://www.ti.com/lit/an/sboa092a/sboa092a.pdf

http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/39-05/Web_Ch1_final_R.pdf

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TABLAS DE DATOS

1. Corrientes de polarizacin y de offset de entrada

Amp. Operacional Vi+ Vi- LM741 LF353

2. Voltaje de offset

Amp. Operacional Voffset Voffset (con R=100) Voffset(con ajuste) LM741 LF353

3. Ganancia

Vin Vout (LM741) Vout (LF353) -2

-1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1.2 1.4 1.6 1.8 2

4. Impedancias de entrada y de salida

Amp. Operacional Zi Zo LM741 LF353

5. Ancho de banda

f (Hz) para Vi = 0.5Vp

Vo (LM741) Vo (LM741 y R2=100K)

Vo (LF353) Vo (LF353 y R2=100K)

100 150 200 250 300

6

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 1k

1.5k 2k

2.5k 3k

3.5k 4k

4.5k 5k

5.5k 6k

6.5k 7k

7.5k 8k

8.5k 9k

9.5k 10k 15k 20k 25k 30k 35k 40k 45k 50k 55k 60k 65k 70k 75k 80k 85k 90k 95k 100k 200k 300k 400k 500k 600k

7

700k 800k 900k 1M

1.5M 2M

Lab1_ElectronicaII_20121. INTRODUCCIN

Practica_1_Feb-Jun_2010