Pre-Informe Experiencia Introductoria - U

Pre-Informe
Experiencia
Introductoria
Análisis y Diseño de Circuitos Eléctricos EL-3001
Integrantes:
-César Diaz
-Pablo Cabello
Profesor:
-Pablo Estevez
Ayudantes:
-Alexis Apablaza
-Catalina Elzo V.
-Felipe Arraño Vargas
-Heinz Gerdin Hunter
-Wladimir Celedon Aguilera
Auxiliares:
-Jaime Arevalo S.
-Rafael Rodriguez O.
Fecha : 17 de Abril del 2012
Introducción
Dentro de las necesidades a la hora de armar un circuito existen muchas aplicaciones que
requieren tanto amplificar la señal entrante, como restar señales, o en algunos casos es necesario
disminuir la impedancia de salida de un circuito, en muchos de estos casos es posible utilizar un
tipo de circuito integrado conocido como OPAMP ("Operational Amplifier"), un elemento activo
capaz de entregar un Voltaje con una impedancia de salida muy baja, dependiendo de las
condiciones de los Voltajes en sus patillas de entrada y de los Voltajes con que se alimente al
circuito en sí.
Se buscara con este informe analizar el comportamiento teórico de los circuitos OPAMP, su
respuesta ante ciertas conexiones entre sus patillas y su respuesta ante una conexión en cascada,
esto con tal de que esta experiencia se realice de forma practica en las próximas sesiones de
laboratorio, permitiendo asi que se de un primer acercamiento al trabajo y a los instrumentos
utilizados en el laboratorio, en conjunto a completar aprendizajes respecto a los circuitos en si.
Marco Teórico
Antes de trabajar con el circuito en si se debe conocer ciertas especificaciones de
herramientas y circuitos con los que se trabajara, entre ellos el OPAMP, del cual ya se hizo una
pequeña introducción, pero que ahora se tratara con algo mas de profundidad.
-OPAMP's
Si bien el OPAMP real está representado en un circuito como un integrado con 5 patillas,
el integrado con el que se trabajara en estas sesiones posee 8 patillas, pues el encapsulado posee
patillas que no se utilizaran.
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Ilustración 1: Distribución de pines del encapsulado del UA741CN1
Las aproximaciones con que se
trabajaran estos circuitos nos dicen que
las patillas de entrada inversora y noinversora están conectadas internamente
por una impedancia de gran valor, por
tanto las corrientes de entrada en ambas
patillas tienden a 0. A su vez diremos que
la impedancia de salida es muy pequeña,
tendiendo a 0.
1
Ilustración 2: Aproximación del OPAMP
Datasheet disponible en
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXyywtw.pdf
Usando estas aproximaciones podemos encontrar distintas configuraciones típicas usando
OPAMP’s (Como el Seguidor de Voltaje, Amplificadores inversor y no Inversor), estas
configuraciones se pueden conectar entre sí, es decir se puede conectar la salida de uno con
alguna de la entradas de otro, para crear conexiones en “cascada”.
-Osciloscopio
El Osciloscopio corresponde a un instrumento utilizado para medir el comportamiento de
una Señal en el tiempo, el osciloscopio posee una pantalla que muestra la “forma” de la señal de
entrada (En un grafico Voltaje v/s Tiempo)
El Osciloscopio con el que se trabajara en el laboratorio corresponde al AGILENT
54622A2 un osciloscopio que posee 2 canales y una frecuencia de muestreo de 200 MSa/s.
Generador de Funciones:
El generador de funciones, es un instrumento utilizado para simular distintas entradas para
alimentar un circuito, este es capaz de entregar señales sinusoidales, cuadradas o triangulares, y
se puede elegir tanto la Amplitud como la frecuencia de la Señal de salida.
El Generador con el que se trabajara en el laboratorio corresponde al EZ FG 7002C 3, un
generador que puede trabajar con frecuencias entre 0.02 Hz y los 2 MHz, y con una Amplitud
máxima de 20V “Peak to Peak”.
2
Datasheet disponible en:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXyywtw.pdf
3 Más información respecto a este generador en:
http://www.testequipmentdepot.com/ezdigital/pdf/fg7002c.pdf
Análisis y Simulación
-Análisis
Para realizar el análisis del circuito haremos uso de la figura 1 ,en la cuál se realiza una
separación por bloques para poder simplificar el análisis del mismo ,además se hará uso de los
distintos métodos de resolución de circuitos y propiedades de los OP-AMPs para encontrar el
potencial de salida “ Vout” y además , la relación que existe entre “Vint” y “Vout”.
Figura 1
El seccionamiento en se hará en 5 bloques los cuales están enumerados en la figura 1 ,
además los valores asignados para a los elementos son :
−𝑅 = 12𝑘[𝑜ℎ𝑚𝑠]
−𝑅1 = 22𝑘[𝑜ℎ𝑚𝑠]
−𝑅2 = 10𝑘[𝑜ℎ𝑚𝑠]
−𝑃 = 20𝑘[𝑜ℎ𝑚𝑠]
Cada bloque correspondiente a un OP-AMP será analizado a continuación:
OP-AMP: Seguidor de Voltaje (Bloque 1)
Usando las prodiedades de un OP-AMP
𝑉+ = 𝑉 −  𝑉𝑎 = 𝑉𝑏 (𝑎)
Usando divisor de voltaje y además (a) nos queda:
𝑅
(𝑅1+𝑅) 𝑉𝑖𝑛 = 𝑉𝑏
(1)
OP-AMP: Amplificador inversor (Bloque 2)
Usando las prodiedades de un OP-AMP
𝑉+ = 𝑉 −  0 = 𝑉𝑐 (𝑏)
Por LCK obtenemos en el nodo C y usando (b):
𝑉𝑏 − 𝑉𝑐 𝑉𝑐 − 𝑉𝑑
=
𝑅
𝑅
𝑉𝑏 −𝑉𝑑
=
𝑅
𝑅
𝑉𝑑 = −𝑉𝑏
(2)
Característica de un amplificador inversor
OP-AMP: Sumador (Bloque 3)
Usando las prodiedades de un OP-AMP
𝑉+ = 𝑉 −  0 = 𝑉𝑒 (𝑐)
Usando LCK obtenemos en el nodo E:
𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑒 𝑉𝑑 − 𝑉𝑒 𝑉𝑒 − 𝑉𝑓
+
=
𝑅
𝑅
𝑅
Utilizando (c) se obtiene directamente :
𝑉𝑓 = −𝑉𝑑 – 𝑉𝑖𝑛 (3)
OP-AMP: Restador(Bloque 4)
Usando las prodiedades de un OP-AMP
𝑉+ = 𝑉 −  𝑉𝑗 = 𝑉ℎ
Utilizando LCK en el nodo J:
𝑉𝑏 − 𝑉𝑗 𝑉𝑗
=
𝑅
𝑅
y LCK en el nodo H:
𝑉𝑓 − 𝑉ℎ 𝑉ℎ − 𝑉𝑘
=
𝑅
𝑅
De lo cuál obtenemos:
𝑉𝑘 = 𝑉𝑏 − 𝑉𝑓
(4)
OP-AMP: Amplificador no inversor
Usando las prodiedades de un OP-AMP
𝑉+ = 𝑉 −  𝑉𝑘 = 𝑉𝑙
De la LCK en el nodo L:
𝑅2
𝑉𝑘 = (𝑅2+𝑃) 𝑉𝑜𝑢𝑡
(5)
Utilizando las Ecuaciones (1), (2), (3), (4) y (5) obtenemos a la relación:
𝑅2+𝑃
𝑉𝑖𝑛 ( 𝑅2 ) = 𝑉𝑜𝑢𝑡 (6)
Finalmente utilizando los valores :
−𝑅 = 12𝑘[𝑜ℎ𝑚𝑠]
−𝑅1 = 22𝑘[𝑜ℎ𝑚𝑠]
−𝑅2 = 10𝑘[𝑜ℎ𝑚𝑠]
−𝑃 = 20𝑘[𝑜ℎ𝑚𝑠]
−𝑉𝑖𝑛 =
3[𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠]
Con lo cuál obtenemos :
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 9 [𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠]
-Simulación
Para la simulación del circuito antes analizado se hará uso del programa TINA en el cuál
se procederá de forma trasiente para observar la señal “Vout” y la relación que esta tiene con
“Vin”.
Para los componentes utilizados en la simulación se utilizaran los valores antes
entregados, sin embargo ahora se hará uso de una fuente de voltaje Vin alterna la cual tendrá
una Amplitud de 3 [volts] y una Frecuencia de 2k[Hz].
Figura 2: Gráfico Voltaje(v)-Tiempo(s)
Comparativo entre Vin y Vout
Se puede apreciar que Vout es una amplificación de Vin ya que se encuentran en fase y
además cuando Vin alcanza su amplitud máxima de 3 Volts , Vout alcanza los 9 Volts predichos
por la formula con un error menor al 1% , lo que se puede apreciar en la figura 3.
Figura 3. Zoom de amplitud Vout
Conclusiones
Tras la realización de los análisis teóricos se obtuvo una relación entre el voltaje de
entrada y voltaje de salida (6) del circuito tratado (Figura 1) , luego para comprobar la teoría se
simuló el circuito en TINA logrando obtener los resultados esperados tras el análisis teórico , se
obtuvo una amplitud máxima de 9 Volts en Vout con un error muy despreciable , menor al 1%,
Lo que confirma la teoría y además nos muestra lo eficaz y sencillo que puede ser la simulación
de circuitos eléctricos mediante el programa TINA , además la entrega de gráficos posibilita una
apreciación rápida de la función de un circuito.
El uso de OP-AMPs permitió la amplificación del voltaje de entrada y un cálculo rápido
de la relación entre el voltaje de entrada y salida del circuito , “Vin” y “Vout”
Finalmente la simulación entrega un análisis cualitativo muy exacto con respecto a la
teoría lo cuál convierta a la simulación en una herramienta muy útil al momento de analizar y
diseñar circuitos