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.

CORPORACIÓN UNIVERSITARIA DEL META

DEPARTAMENTO DE LABORATORIOS

INGENIERIA ELECTRONICA

ELCTRONICA III

PRACTICA: N° 3

TEMA: AMPLIFICADOR NO INVERSOR

INTEGRANTES: DANIEL RIVERA CRUZ

                             MAURO RINCÓN

1. OBJETIVOS

• Familiarizarnos con las propiedades de los amplificadores inversor y no inversor.
• Buscar la configuración de pines del operacional LF353N.
• Analizar las características de los amplificadores operacionales cercanos a los ideales en los cuales es más fácil y conveniente realizar este trabajo.

2. MARCO TEÓRICO

AMPLIFICADOR NO INVERSOR

Este circuito es muy parecido al inversor, la diferencia es que la señal se introduce por el terminal no inversor, lo cual va a significar que la señal de salida estará en fase con la señal de entrada y amplificada. El análisis matemático será igual que en el montaje inversor.

Consideramos:

Teniendo en cuenta que: Vy=Vi y Vx=Vi tenemos:

Como se ve la ganancia de éste amplificador no puede ser menor que 1. Como en el caso del amplificador inversor R3 es igual a la combinada en paralelo de R2 y R1.

3. MATERIALES Y EQUIPOS

• Opamp LF353N
• Resistencias 10KΩ, 1KΩ, 1KΩ, 100Ω
• Generador de funciones
• Multimetro
• Osciloscopio

4. PROCEDIMIENTO

4.1)  EL AMPLIFICADOR INVERSOR.

4.1.1) Voltajes D.C. y ganancia

Implementar el circuito de la figura 1. Ajuste las fuentes de alimentación a ±10V usando el multimetro (DVM).

a) Coloque en paralelo con R₂ una resistencia de igual valor para reducir la ganancia en un factor de 2. Mida voltajes en B y D. Al terminar dejar el circuito en la forma inicial.

4.1.3) Ganancia A.C.

Use el circuito de la figura anterior, pero con R_a=1KΩ y el nodo A conectado al generador de ondas.

a) Ajuste la forma de onda en el nodo A para 2V_p a 1KHz, mida B, C y D con el osciloscopio. Note el valor pico y las fases relativas de las señales..

4.2.3) Ganancia A.C.

Conecte el nodo A a una onda senoidal de 1KHz con 1V_p (FIGURA 2).

a) Con el osciloscopio mida la amplitud de las señales en los puntos B, C y D.

CONCLUSIONES:

Se ha razonado que la diferencia de tensión en la de entrada del amplificador operacional ha de ser nula, por lo que la tensión presente en la  inversora será la misma que la presente en la no-inversora. Por hallarse las resistencias R1 y R2 en serie, la corriente que las atravesará será la misma y conocida, ya que sabemos el valor de R1 y las tensiones en sus extremos (Vin y 0):

PRACTICA 2

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

1. OBJETIVOS:

• Medición de la relación de rechazo en modo común (CMRR) del OP-AMP 741.

• Determinación de la respuesta en lazo cerrado de un OP-AMP por el cálculo de su   producto ganancia-ancho de banda.

EXPERIMENTO 1

2. MATERIALES Y EQUIPOS

• Un OP-AMP 741
• Resistencias de: Dos de100kW, dos de 100W.
• Condensadores: 2 de 10mF.
• Generador de onda seno y voltímetro.

3. PROCEDIMIENTO:

5.1) Monte en un Protoboard el circuito de la figura. Para este experimento las conexiones de la fuente de alimentación son mostradas en el diagrama esquemático.

5.2) Después de aplicarle la alimentación al circuito, mida con un voltímetro el voltaje de entrada , ajuste el voltaje de entrada para leer un voltaje de por lo menos 2 Vrms (esta es una medida AC). Escriba el voltaje de entrada en modo común.

Vimc=2Vac

5.3) Ahora mida el correspondiente voltaje de salida en modo común y escriba el resultado.

Vomc = 395 mV

EXPERIMENTO 2

1. MATERIALES

Ø  Un OP-AMP 741

Ø  Resistencias de: Dos de10kW, una de 1kW y otra de 5kW.

Ø  Condensadores: 2 de 10mF.

Ø  Osciloscopio y generador de onda cuadrada.

2. DISEÑO BASICO:

Producto de ancho de banda –ganancia: GPB = Av*BW

Donde Av = Rf/R1

BW: ancho de banda del OP-AMP (la respuesta a alta frecuencia donde la ganancia de voltaje decrece hasta un factor de 0.707). .

3. PROCEDIMIENTO:

3.1) Monte en un Protoboard el circuito de la figura.

Rf = 10kW

R1 = 10kW

3.2) Coloque el osciloscopio de la siguiente forma:

Canal 1 y 2 a 0.5 V/Div, base de tiempo a 0.5ms/Div.

3.3) Ajuste el voltaje de entrada para que el voltaje de la salida sea 0.7Vpp a 1kHz. Como se sabe es un inversor y la ganancia es 1, verifique si el voltaje de entrada es 0.7Vpp. Mida  la frecuencia en ese punto y escriba el resultado.

La frecuencia en este punto es de 1Khz (teniendo en cuenta que el generador no es variable)

3.4) Ahora varié poco a poco la frecuencia de entrada hasta que el voltaje salida disminuya a 0.5Vpp. En ese momento vamos a obtener el ancho de banda BW del OP-AMP.

BW se obtiene en el momento en que al incrementar la frecuencia el voltaje de salida disminuye a 0.707*Vi, en nuestro caso en el momento en que al incrementar la frecuencia Vo = 0.707*07Vpp= 0.5Vpp.

El producto del ancho de banda-ganancia (GPB) es el producto del BW por la ganancia de voltaje Av.

BW=0,26 Vpp a 1Mhz

3.5) Ahora desconecte la alimentación y cambie el valor de R1 por 5kW, esto configura el amplificador con una Av = 2. Alimente el circuito y mida la amplitud de salida a 1kHz, debe ser igual a 1.4Vpp; incremente la frecuencia de entrada hasta que Vo = 1Vpp (1.4*0.707=1Vpp), mida  la frecuencia en ese punto y escriba el resultado.

RTA= 1,3Vpp, 1.14 Vpp  100Khz

3.6) De nuevo calcule el producto ancho de banda – ganancia (GPB), usando la ganancia de voltaje Av = 2.

Si el porcentaje de cambio del GPB del numeral 3.5 y el 3.7 es menor al 5%, se dice que estos dos son los mismos incrementando la ganancia de voltaje del circuito; al duplicar la ganancia, el ancho de banda (BW) decrece,   sin embargo el GPB, el cual depende de ambos permanece constante y es así como este producto restringe la respuesta a alta frecuencia de un OP-AMP para un valor dado de ganancia de voltaje. Entre mayor es la ganancia de voltaje, menor es el ancho de banda.

3.7) Ahora cambie la resistencia R1 por la de 1kW, esto genera una Av = 10. Un voltaje de entrada de 0.7Vpp debe generar una salida de 7Vpp a 1kHz. Incremente la frecuencia de entrada hasta que la salida sea de 5Vpp. Mida la frecuencia en este punto.

3.8) Calcule el GPB.

Este valor debe ser el mismo en los tres casos, se debe entonces concluir que el GPB es constante , luego una vez que se conoce este, inmediatamente se conoce la máxima ganancia de voltaje para cada frecuencia dada; así como el SLEW RATE, el GPB es una medida de la respuesta en frecuencia del OP-AMP.

PRACTICA 2
AMPLIFICADOR OPERACIONAL

1. OBJETIVOS:

• Medición de la relación de rechazo en modo común (CMRR) del OP-AMP 741.

• Determinación de la respuesta en lazo cerrado de un OP-AMP por el cálculo de su   producto ganancia-ancho de banda.

EXPERIMENTO 1

2. MATERIALES Y EQUIPOS

• Un OP-AMP 741
• Resistencias de: Dos de100kW, dos de 100W.
• Condensadores: 2 de 10mF.
• Generador de onda seno y voltímetro.

3. PROCEDIMIENTO:

5.1) Monte en un Protoboard el circuito de la figura. Para este experimento las conexiones de la fuente de alimentación son mostradas en el diagrama esquemático.

5.2) Después de aplicarle la alimentación al circuito, mida con un voltímetro el voltaje de entrada (), ajuste el voltaje de entrada para leer un voltaje de por lo menos 2 Vrms (esta es una medida AC). Escriba el voltaje de entrada en modo común.

Vimc=2Vac

5.3) Ahora mida el correspondiente voltaje de salida en modo común () y escriba el resultado.

Vomc = 395 mV

EXPERIMENTO 2

1. MATERIALES

Ø  Un OP-AMP 741

Ø  Resistencias de: Dos de10kW, una de 1kW y otra de 5kW.

Ø  Condensadores: 2 de 10mF.

Ø  Osciloscopio y generador de onda cuadrada.

2. DISEÑO BASICO:

Producto de ancho de banda –ganancia: GPB = Av*BW

Donde Av = Rf/R1

BW: ancho de banda del OP-AMP (la respuesta a alta frecuencia donde la ganancia de voltaje decrece hasta un factor de 0.707). .

3. PROCEDIMIENTO:

3.1) Monte en un Protoboard el circuito de la figura.

Rf = 10kW

R1 = 10kW

3.2) Coloque el osciloscopio de la siguiente forma:

Canal 1 y 2 a 0.5 V/Div, base de tiempo a 0.5ms/Div.

3.3) Ajuste el voltaje de entrada para que el voltaje de la salida sea 0.7Vpp a 1kHz. Como se sabe es un inversor y la ganancia es 1, verifique si el voltaje de entrada es 0.7Vpp. Mida  la frecuencia en ese punto y escriba el resultado.

La frecuencia en este punto es de 1Khz

3.4) Ahora varié poco a poco la frecuencia de entrada hasta que el voltaje salida disminuya a 0.5Vpp. En ese momento vamos a obtener el ancho de banda BW del OP-AMP.

BW se obtiene en el momento en que al incrementar la frecuencia el voltaje de salida disminuye a 0.707*Vi, en nuestro caso en el momento en que al incrementar la frecuencia Vo = 0.707*07Vpp= 0.5Vpp.

El producto del ancho de banda-ganancia (GPB) es el producto del BW por la ganancia de voltaje Av.

3.5) Ahora desconecte la alimentación y cambie el valor de R1 por 5kW, esto configura el amplificador con una Av = 2. Alimente el circuito y mida la amplitud de salida a 1kHz, debe ser igual a 1.4Vpp; incremente la frecuencia de entrada hasta que Vo = 1Vpp (1.4*0.707=1Vpp), mida  la frecuencia en ese punto y escriba el resultado.

3.6) De nuevo calcule el producto ancho de banda – ganancia (GPB), usando la ganancia de voltaje Av = 2.

Si el porcentaje de cambio del GPB del numeral 3.5 y el 3.7 es menor al 5%, se dice que estos dos son los mismos incrementando la ganancia de voltaje del circuito; al duplicar la ganancia, el ancho de banda (BW) decrece,   sin embargo el GPB, el cual depende de ambos permanece constante y es así como este producto restringe la respuesta a alta frecuencia de un OP-AMP para un valor dado de ganancia de voltaje. Entre mayor es la ganancia de voltaje, menor es el ancho de banda.

3.7) Ahora cambie la resistencia R1 por la de 1kW, esto genera una Av = 10. Un voltaje de entrada de 0.7Vpp debe generar una salida de 7Vpp a 1kHz. Incremente la frecuencia de entrada hasta que la salida sea de 5Vpp. Mida la frecuencia en este punto.

3.8) Calcule el GPB.

Este valor debe ser el mismo en los tres casos, se debe entonces concluir que el GPB es constante , luego una vez que se conoce este, inmediatamente se conoce la máxima ganancia de voltaje para cada frecuencia dada; así como el SLEW RATE, el GPB es una medida de la respuesta en frecuencia del OP-AMP.

8. ANALISIS DE RESULTADOS

Se pudo comprobar de manera practica que el voltaje offset si existe y es el que hace variar el voltaje de salida en los diseños de amplificadores con ganancia, se pudo medir las corrientes de entrada en las entradas del operacional y se comprobó que no son iguales como se desea en uno ideal, el SLEW RATE es el cambio máximo de la tensión de salida para todas las señales de entrada de entrada posibles, por lo que limita la velocidad de funcionamiento, es decir la frecuencia máxima a la que puede funcionar el amplificador para un nivel dado de señal de salida

PRACTICA 1.

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

LM741

1. OBJETIVOS

• Buscar en Internet la hoja técnica del LM741, para identificar los diferentes parámetros.
• Medición del voltaje de entrada OFFSET de un OP-AMP.
• Medición de la corriente de entrada BIAS de un OP-AMP.
• Medición del SLEW RATE de un OP-AMP.

1. MATERIALES Y EQUIPOS

• Un OP-AMP LM741
• Resistencias de: 100kW, 1MW, dos de 10kW, dos de 1kW,
• Condensadores: 2 de 10mF.
• Caimanes y cable para conexión.
• Protoboard.
• Osciloscopio.
• Multimetro.
• Generador de funciones.

Hoja técnica del   LM741:

PROCEDIMIENTO:

5.1) Monte en un protoboard el circuito de la figura. Para este experimento las conexiones de la fuente de alimentación son mostradas en el diagrama esquemático. Los condensadores  de 10mF se utilizaran en los experimentos siguientes.

5.2) Después de aplicarle la alimentación al circuito, mida con un voltímetro el voltaje de salida (V_OS); el voltaje debe ser menor de 60mV.

5.3) Calcule el voltaje OFFSET.

Para el OP-AMP 741C, el valor típico para el OffSet de entrada es de 2mV, con un máximo de 6mV.

8. CONCLUSIONES

Se pudo comprobar de manera practica que el voltaje offset si existe y es el que hace variar el voltaje de salida en los diseños de amplificadores con ganancia, se pudo medir las corrientes de entrada en las entradas del operacional y se comprobó que no son iguales como se desea en uno ideal, el SLEW RATE es el cambio máximo de la tensión de salida para todas las señales de entrada de entrada posibles, por lo que limita la velocidad de funcionamiento, es decir la frecuencia máxima a la que puede funcionar el amplificador para un nivel dado de señal de salida.