PRACTICA 5

SUMADOR- RESTADOR -SEGUIDOR

1. OBJETIVOS

·      Los siguientes montajes demostrarán el diseño y operación de los circuitos fundamentales lineales en donde la señal de salida es directamente proporcional a la señal de entrada.

·      Demostrar el diseño y operación de un seguidor de voltaje, amplificador sumador de 2 entradas y un amplificador restador.

·      Realizar los correspondientes cálculos de cada experimento antes de implementar la práctica en el laboratorio.

·      Comprobar los cálculos con la simulación de los circuitos de esta práctica.

2. MARCO TEÓRICO

Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O. u op-amp), es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):
Vout = G·(V₊ − V₋)

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741(1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.

Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.

El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.

Notación

El símbolo de un MONOLITICO es el mostrado en la siguiente figura:

Los terminales son:

• V₊: entrada no inversora
• V_-: entrada inversora
• V_OUT: salida
• V_S+: alimentación positiva
• V_S-: alimentación negativa

Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplo en los A.O. basados en FET V_DD y V_SS respectivamente. Para los basados en BJT son V_CC y V_EE.

Comportamiento en corriente continua (DC)

Lazo abierto

Si no existe realimentación la salida del A. O. será la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000 (que se considerará infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100.000V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el A. O. estará saturado si se da este caso. Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + la salida será la que corresponde a la alimentación V_S+, mientras que si la tensión más alta es la del pin - la salida será la alimentación V_S-.

Lazo cerrado o realimentado

Se conoce como lazo cerrado a la realimentación en un circuito. Aquí se supondrá realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la pata + sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la pata -, la tensión en esta pata también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor.
Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones para analizar el circuito:

• V₊ = V_- (lo que se conoce como principio del cortocircuito virtual).
• I₊ = I_- = 0

Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, al igual que con cualquier circuito amplificador, se mejoran algunas características del mismo como una mayor impedancia en la entrada y una menor impedancia en la salida. La mayor impedancia de entrada da lugar a que la corriente de entrada sea muy pequeña y se reducen así los efectos de las perturbaciones en la señal de entrada. La menor impedancia de salida permite que el amplificador se comporte como una fuente eléctrica de mejores características. Además, la señal de salida no depende de las variaciones en la ganancia del amplificador, que suele ser muy variable, sino que depende de la ganancia de la red de realimentación, que puede ser mucho más estable con un menor coste. Asimismo, la frecuencia de corte superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda.

Comportamiento en corriente alterna (AC)

En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones. (Ver sección de limitaciones)
Un ejemplo de amplificador operacional es el 741op

Análisis

Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, pero uno habitual es:

1. Comprobar si tiene realimentación negativa
2. Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado anterior
3. Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito
4. Aplicar el método de los nodos en todos los nodos del circuito excepto en los de salida de los amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente que sale de ellos)
5. Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión en los nodos donde no se conozca.

3. MATERIALES Y EQUIPOS.

·      Fuente de voltaje D.C. (2)

·      Generador de funciones

·      Multímetro

·      Opamp LF353N

·      Resistencias 10KΩ (3), 47KΩ (2), 100 KΩ (3), 33KΩ (1), 68 KΩ (1)

·      Protoboard

4. PROCEDIMIENTO

EXPERIMENTO 1

CIRCUITO SEGUIDOR DE VOLTAJE

Obtener las características de operación del opamp a utilizar..

4.1) Implemente el circuito de la figura 1. 

4.1.1) Ajuste las fuentes de alimentación a +/- 10V.

4.1.2) Ajuste la salida del generador para entregar 1.5Vpp y una frecuencia de 1000Hz.

4.1.3) ¿Cuál es la diferencia entre las señales de entrada y salida?

EXPERIMENTO 2

SUMADOR

4.2) Implemente el circuito de la figura 2.  Ajuste las fuentes de alimentación a +/- 10V.

LA SEÑAL SE DUPLICA

R₁ = 10KΩ, R₂ = 10KΩ, R₃ = 10KΩ, Amplificador  Operacional LF353N.

4.2.1) Ajuste el generador para que V_i sea de 1Vpp a una frecuencia de 300Hz. Mida el voltaje de salida del primer opamp (V₂).

V₂ = ___4V pp__

4.2.2) Mida el voltaje de salida en el segundo opamp (V_o).

V_o = _8V pp____

4.2.3) Implemente ahora el siguiente circuito. V_i  no varia en este circuito.

RESTADOR

4.3) Implemente el siguiente circuito. Ajuste la fuente de voltaje a ±12V.

R₁ = R₃ = 47KΩ, R₂ = R₄ = 100KΩ, R_a = 100KΩ, R_b = 33KΩ, R_c = 68KΩ

4.3.4) Aplique una señal senoidal de 1Vpp a 1KHz en la malla y repita los pasos anteriores.

CONCLUSIONES

Se demostró el diseño y operación en donde la señal de salida es directamente proporcional a la señal de entrada, tanto en el operacional  seguidor, sumador y restador calculando sus respectivos voltajes.