UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
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Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA FACULTAD DE INGENIERIAS INGENIERÍA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE ELECTRONICA ANALOGICA II AMPLIFICADORES OPERACIONALES DOCENTE: ING. ESTEBAN ORDOÑEZ REALIZADO POR: DIEGO ARPI MARTIN URGILES 20 de Enero del 2011 CUENCA - ECUADOR AMPLIFICADORES OPERACIONALES Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA PRÁCTICA # 9 1. TEMA: AMPLIFICADORES OPERACIONALES 2. OBJETIVOS 2.1. Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento de las siguientes configuraciones básicas del Amplificador Operacional: a) Circuito invertente b) Circuito no invertente c) Circuito Derivador d) Circuito Sumador no invertente Comprobar el funcionamiento aplicando señales continuas y variables. 2.2. Investigar y Armar el circuito generador de Onda Sinusoidal. 3. MARCO TEÓRICO Amplificadores Operacionales Amplificador Inversor Dada una señal analógica el amplificador inversor constituye el modo más simple de amplificar o atenuar la señal. 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. Por encontrarse estas resistencias dispuestas en serie la corriente que atravesará ambas será la misma. A continuación se va a demostrar cómo Va es nula. Si tenemos en cuenta que la ganancia de tensión de un amplificador operacional debe atender a la relación salida/entrada: AMPLIFICADORES OPERACIONALES Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA Al ser una de las características del amplificador la ganancia en tensión infinita podemos intuir que la única solución válida es disponer a la entrada del amplificador de una tensión nula. La tensión de salida es proporcional a la tensión de entrada, siendo el factor de proporcionalidad una constante que definimos con las resistencias R1 y R2. El nombre de inversor viene dado por el signo negativo presente en la fórmula. Es decir, el montaje invierte la fase de la señal; este detalle no puede pasarse por alto para señales que requieran cuidar su fase. La resistencia R3, sirve para compensar los posibles efectos no deseados debidos a imperfecciones en el funcionamiento de los amplificadores operacionales reales. En concreto busca disminuir el efecto nocivo de unas intensidades de polarización residuales presentes en las entradas del amp. (Que conlleva una impedancia de entrada elevada pero no infinita). Amplificador No Inversor Este circuito presenta como característica más destacable su capacidad para mantener la fase de la señal. El análisis se realiza de forma análoga al anterior. Se ha razonado que la diferencia de tensión en las patillas de entrada del amplificador operacional ha de ser nula, por lo que la tensión presente en la patilla inversora será la misma que la presente en el no-inversor. 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): Se puede apreciar cómo no existe signo negativo en la expresión (no se invierte la señal), siendo además la ganancia siempre superior a la unidad. Este circuito no permite por consiguiente atenuar señales. Se hará una puntualización con respecto a la conveniencia de uso del inversor/no inversor. La inversión de fase no resulta significativa en el tratamiento de señales alternas, ya que dichas AMPLIFICADORES OPERACIONALES Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA señales varían entre semiciclos positivos y negativos. Un amplificador inversor aplicado a una señal alterna tiene como resultado una simple inversión de fase. Sin embargo en señales de continua el resultado es bien distinto. Si deseamos duplicar una tensión continua e introducimos a la entrada de un amplificador inversor 2V a la salida tendremos -4V (negativos), lo cual puede ser un inconveniente en determinadas aplicaciones. La elección de una etapa u otra depende por consiguiente de las condiciones concretas de diseño. Amplificador Seguidor Esta sencilla configuración ofrece una tensión de salida igual a la tensión de entrada, no produciéndose ganancia alguna. El montaje se emplea fundamentalmente como adaptador de impedancias, ya que no consume corriente en su entrada (impedancia de entrada infinita) ofreciendo señal en su salida (impedancia de salida nula). Vout =Vin Su nombre está dado por el hecho de que la señal de salida es igual a la de entrada, es decir, sigue a la de entrada. Configuración Sumador No Inversor La salida se encuentra en fase con la entrada, pero no se puede obtener ganancia unitaria. AMPLIFICADORES OPERACIONALES Universidad Politécnica Salesiana Si se aplican las consideraciones de un amplificador no inversor: La tensión en el terminal no inversor (Vi) viene determinada por: AMPLIFICADORES OPERACIONALES INGENIERÍA ELECTRÓNICA Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA Amplificador Derivador En la salida (Vo) se obtiene la derivada de la señal de entrada (Vi), respecto al tiempo, multiplicada por una constante. El circuito se basa en un inversor, en el que R1 se ha sustituido por un condensador. Como IC = Ii La tensión de salida (Vo) será: 4. EXPLICACION DE LA PRÁCTICA. La práctica consiste en comprobar el funcionamiento de los amplificadores operacionales en sus distintas configuraciones y además realizar una aplicación que en este caso sería un generador de onda sinusoidal. AMPLIFICADORES OPERACIONALES Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA 5. CALCULOS - Amplificador Inversor. Rf Ri Vi Vo Circuito amplificador inversor Datos: ΔV = 30 Rf = 100 kΩ Vi = 0.45v El valor de Ri será: Ri Rf 100k V 30 Ri = 3.3 kΩ El voltaje de salida será: Vo V .Vi 30 (0.45v) Vo = - 13.63v - Amplificador No Inversor. Vi Vo Rf Ri AMPLIFICADORES OPERACIONALES Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA Circuito amplificador no inversor. Datos: ΔV = 31 Rf =100 kΩ Vi = 0.45v El valor de Ri será: Rf V 1 Ri 100 13 1 Ri Ri = 3.3 Ω El voltaje de salida será: Vo V . Vi 30 (0.45v) Vo = 13.95v - Amplificador Derivador Circuito amplificador diferencial Datos: ΔV = 3 R2 = 10 kΩ Vi1 = 2.25v Vi2 = 5v El valor de R2 será: AMPLIFICADORES OPERACIONALES Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA R1 R 2 10k Av 3 Ri = 3.3 kΩ El voltaje de salida será: Vs (Vi 2 Vi1) Av (5 2.25)3 Vo = 8.25v - Amplificador Inversor Sumador. Configuración amplificador inversor sumador. Datos: ΔV = 3 R1 =3.3 kΩ Vi1 = 5v Vi2 = - 2.25v R2 = 10 kΩ R2 R2 Vo Vi1 Vi 2 Ri 2 Ri1 10k 10k Vo 5v 2.25v 3.3k 3.3k Vo = 8.33v - Amplificador Sumador No Inversor AMPLIFICADORES OPERACIONALES Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA Configuración amplificador inversor sumador. Datos: ΔV = 4 R1 =3.3 kΩ Vi1 = 5v Vi2 = - 2.25v R2 = 10 kΩ R 2 Vi1 Vi 2 Vo 1 R3 2 10k 5 2.25 Vo 1 3.3k 2 - Vo = 5.95v Generador de onda Sinusoidal. Generador de onda Cuadrada: AMPLIFICADORES OPERACIONALES Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA Generador de onda Triangular: Vs = Vi.t / τ t*2=1/f 13 = 2*0.3ms / T t = 0.3 ms T = 44 us C = 0.1 uF R = 898 Ω 13 = 5.4 / R.C RC = 1.538 C = 10 uF R = 153.8 k Ω V = (R2 / R1)*Vs 12 = (R2 / R1)*13 R1 = 1 kΩ AMPLIFICADORES OPERACIONALES R2 = 923 Ω Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA Generador de onda Sinusoidal: Vs = Vi.t / τ t*2=1/f 13 = 2*0,3m / τ t = 0.3 ms τ = 44 us C = 0.1 uF R = 898 Ω 13 = 5.4 / R.C RC = 1.538 C = 10 uF V = (R2 / R1).Vs 12 = (R2 / R1).13 R1 = 1 kΩ AMPLIFICADORES OPERACIONALES R = 153.8 k Ω Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA ESQUEMA GENERAL: 6. SIMULACIÓN C1 C2 1µF 11 R4 U1A 2 -12 V 100kΩ 100kΩ 4 LM348N _ + 11 U1C 4 LM348N 9 8 R5 10 50kΩ 50% Key=A V2 12 V 11 U1B 6 7 13 LM348N 12 11 U1D 4 LM348N 5 14 4 R2 100kΩ R3 100kΩ AMPLIFICADORES OPERACIONALES B A 1 3 Ext T rig + R6 R1 V110kΩ XSC1 0.1µF _ + _ Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA 7. LISTA DE MATERIALES. CANT 10 4 1 6 1 1 Materiales Resistencias LM741 Osciloscopio Condensadores LM348 Potenciómetro 8. ANÁLISIS -Tablas de valores medidos y simulados. Amplificador Inversor ∆V Vo Vi Cuadro Comparativo Calculado 30 -13.62 v 0.45 v Medido 29.6 -13.32 v 0.45 v Tabla 1. Cuadro de valores medidos y calculados del circuito amplificador inversor AMPLIFICADORES OPERACIONALES Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA Amplificador No Inversor ∆V Vo Vi Cuadro Comparativo Calculado 31 13.95 v 0.45 v Medido 31.2 14.04v 0.45 v Tabla 2. Cuadro de valores medidos y calculados del circuito amplificador no inversor Amplificador Derivador ∆V Vo Vi1 Vi2 Cuadro Comparativo Calculado 3 8.25v 2.25v 5v Medido 3.018 8.24v 2.24v 4.97v Tabla 3. Cuadro de valores medidos y calculados del circuito Amplificador Sumador Inversor ∆V Vo Vi1 Vi2 Cuadro Comparativo Calculado 3 -8.33v 5v -2.25v Medido 2.989 -8.33v 4.97v -2.19v Tabla 4. Cuadro de valores medidos y calculados del circuito Amplificador Sumador No Inversor ∆V Vo Vi1 Vi2 Cuadro Comparativo Calculado 4 5.95v 5v -2.25v Medido 4.11 5.62v 4.95v -2.19v Tabla 5. Cuadro de valores medidos y calculados del circuito AMPLIFICADORES OPERACIONALES Universidad Politécnica Salesiana INGENIERÍA ELECTRÓNICA 9. CONCLUSIONES - - El amplificador operacional permite obtener una señal con una ganancia a partir de una señal de ingreso. Se verifico en la práctica que los valores medidos son muy aproximados a los valores calculados. En el amplificador no inversor la señal de ingreso se encuentra en fase con la señal de salida, pero al visualizar las respectivas señales en la práctica se pudo observar que la señal de salida se retrasa con respecto la señal de ingreso, debido al tiempo de conmutación que se presenta en el interior del operacional. Cuando trabajamos con amplificadores que mezclan dos o más señales en el ingreso, es importante que estas estén en fase porque si no es así en la señal de salida no se obtendrá un a onda perfecta. 10. BIBLIOGRAFÍA - IRWIN, Análisis de Circuitos en Ingeniería. Editorial CEAC. Barcelona-España 1984. - http://es.wikipedia.org/wiki/Amop%C3%Amplf_Opsdt AMPLIFICADORES OPERACIONALES
