Circuitos con amplificadores operacionales

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PRÁCTICA 5
CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES
OPERACIONALES.
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CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES
MATERIAL:
• Circuito integrado (CI) amplificador operacional (AO) 741
• Resistencias de 1k2 (3 unidades), 2k2 (1), 3k3 (1) y 10 k (4).
• Cables de conexión
• Multímetro.
OBJETIVO:
Utilizando el AO integrado 741 se analizará el funcionamiento de este dispositivo en un
conjunto de circuitos sencillos de amplia difusión.
REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA:
El AO es un dispositivo integrado muy utilizado en diferentes tipos de circuitos. Su uso
permite realizar operaciones útiles tales como la generación de formas de onda senoidales o
cuadradas, la amplificación de señales, la combinación, integración y diferenciación de éstas, la
rectificación, cambio de formas de onda…
Este dispositivo se construye a partir de transistores, resistencias e incluso algún
condensador. La circuitería que lo constituye es compleja, aunque es posible el estudio del mismo
tratándolo como un bloque con las características que se han visto en las clases de teoría y
problemas.
En la siguiente figura se muestra el símbolo empleado normalmente para representar un
AO. Dispone de dos entradas, una inversora (–) que origina una señal de salida en oposición de
fase a la que se aplica por ella y otra no inversora (+) que origina una señal de salida en fase. Se
alimenta con dos tensiones continuas iguales pero de polaridad opuesta V+ (o +Vcc) y V– (o –
Vcc), con un valor que suele ser de 12 o 15 V. Las tensiones continuas de alimentación o
polarización normalmente se obtienen a partir de fuentes de alimentación simétricas.
El AO que se emplea en esta práctica es un clásico 741 fabricado por múltiples casas
comerciales y de coste muy reducido. Este AO se comercializa en un CI con ocho pines o patillas
como el de la siguiente figura.
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Las patillas que hay que conectar para el montaje de los circuitos que se estudian en esta
práctica son las siguientes:
•
•
•
•
•
Patilla nº 3: entrada no inversora.
Patilla nº 2: entrada inversora.
Patilla nº 6: salida.
Patilla nº 7: alimentación V+.
Patilla nº 4: alimentación V–.
El resto no se van a conectar.
1.- ALIMENTACIÓN DEL AO.
Como se ha descrito en el apartado anterior la alimentación del AO se efectúa a través de
las patillas 7 y 4 del CI. Se van a utilizar valores de +12 V y –12 V respectivamente para la
alimentación del AO. Estas tensiones continuas se obtienen a partir de las salidas de alimentación
continua +V y –V del entrenador reguladas por potenciómetro y que están marcadas en la siguiente
figura.
MUY IMPORTANTE: Antes de conectar el AO hay que regular los valores de las
salidas de alimentación de la placa del entrenador +V y –V a través de cada uno de los
potenciómetros. Para ello se mide la tensión continua de salida con el multímetro entre la
referencia y el terminal +V o –V de la siguiente forma: con la sonda negativa del multímetro en
GND y la positiva en +V se va girando el mando rojo del potenciómetro hasta ajustar la tensión a
12 V. Para la alimentación negativa –V, se aprocede de forma similar, con la sonda negativa del
multímetro en GND y la positiva en –V se va girando el mando rojo del potenciómetro hasta
ajustar la tensión a –12 V.
Es muy importante regular ambas salidas con la mayor precisión al mismo valor positivo y
negativo. Una vez reguladas las salidas +V y –V de la placa del entrenador, se conectarán a las
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patillas 7 y 4 respectivamente del CI que contiene el AO empleado. Como siempre, las conexiones
se harán con el entrenador sin tensión.
Las conexiones a tierra que se indican en los diferentes esquemas de los circuitos que se
estudian se pueden hacer en cualquiera de los terminales GND del entrenador ya que todos ellos
están interconectados entre sí, como se puede comprobar midiendo la continuidad con el
multímetro.
Una vez ajustados los valores de alimentación del AO, +V y –V a 12 V y –12 V se puede
pasar al montaje de los circuitos que se estudiarán en esta práctica. Cumpliméntese la hoja de
respuestas con los valores medidos por el multímetro para +V y –V, con todas las cifras que
aparezcan en la pantalla del multímetro.
MUY IMPORTANTE:Antes de comenzar la realización práctica DE CADA
CIRCUITO, se debe calcular la relación entre la tensión de salida y la tensión o tensiones de
entrada del circuito, presentándose al profesor la solución antes del montaje del circuito.
2.- AMPLIFICADOR INVERSOR.
Resuelva:
El esquema del circuito a montar viene dado por la siguiente figura:
MUY IMPORTANTE: Antes de conectar el circuito verifíquese la tensión de entrada
Ve a través del potenciómetro, procediendo de la siguiente forma: Se empleará el potenciómetro de
100 kΩ, marcado en la siguiente figura.
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El punto 3 se conecta a tierra y el punto 1 a 5 V de tensión continua tomados de la salida de
la placa del entrenador marcada como +5VDC. La tensión Ve se toma de la salida 2 del
potenciómetro, que se conecta con R 1 a través de la placa protoboard. Ve se va a variar durante las
medidas de la práctica ajustándose a través del potenciómetro. Se parte de un valor inicial de 0.2 V
ajustado previamente a la conexión del circuito y verificado de nuevo con posterioridad a la
conexión. Es muy importante manejar el ajuste del potenciómetro con mucha precisión y suavidad
para seleccionar correctamente las tensiones de entrada.
En este apartado se debe completar la tabla del punto 2 de la hoja de respuestas. En esta
tabla se analiza cómo variando R 2 se obtienen distintas amplificaciones en la tensión de salida Vs,
en función de los distintos valores de la tensión de entrada Ve. Para las tensiones de entrada se
toman unos valores de referencia que aparecen en la fila Ve teórico, apuntando en la entrada el
valor realmente medido por el multímetro con todas sus cifras en la fila de Ve real. En las filas
correspondientes a Vs se apuntan dos valores, en la fila superior, el valor esperado es el que se
obtendría calculado mediante las ecuaciones deducidas en el paso previo de cálculo de los
circuitos, con la tensión teórica de entrada y los valores nominales (teóricos) de las resistencias; en
la fila inferior, el valor medido es la lectura efectuada con el multímetro, con todas sus cifras, con
cada tensión de entrada real Ve aplicada.
3.- AMPLIFICADOR NO INVERSOR.
Resuelva:
El esquema del circuito a montar viene dado por la siguiente figura:
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Procédase de forma similar a la realización del apartado anterior correspondiente al
amplificador inversor, cumplimentando la tabla del apartado 3 de la hoja de respuestas.
4.- SUMADOR INVERSOR.
Resuelva:
El esquema del circuito a montar viene dado por la siguiente figura:
En este circuito se tienen dos tensiones de entrada V e1 y V e2 . V e1 es una tensión continua
fija de 5 V que se obtiene directamente del entrenador. V e2 es una tensión variable mediante el
potenciómetro P1 y que oscila entre 0 y 5 V y se obtiene como la Ve de los apartados 2 y 3.
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Simplifique la ecuación que relaciona la tensión de salida V s en función de V e1 y V e2 para
el caso en que R 1 = R 2 = R 3 y apunte el resultado en la hoja de respuestas. Complete la tabla de
medidas correspondiente a este apartado.
5.- SUMADOR NO INVERSOR.
Resuelva:
El esquema del circuito a montar viene dado por la siguiente figura:
En este circuito se tienen dos tensiones de entrada V e1 y V e2 . V e1 es una tensión continua
fija de 5 V que se obtiene directamente del entrenador. V e2 es una tensión variable mediante el
potenciómetro P1 y que oscila entre 0 y 5 V y se obtiene como la Ve de los apartados 2 y 3.
Simplifique la ecuación que relaciona la tensión de salida V s en función de V e1 y V e2 para
el caso en que R 1 = R 2 = R 3 = R 4 y apunte el resultado en la hoja de respuestas. Complete la tabla
de medidas correspondiente a este apartado.
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6.- RESTADOR.
Resuelva:
El esquema del circuito a montar viene dado por la siguiente figura:
En este circuito se tienen dos tensiones de entrada V e1 y V e2 . V e2 es una tensión continua
fija de 5 V que se obtiene directamente del entrenador. V e1 es una tensión variable mediante el
potenciómetro P1 y que oscila entre 0 y 5 V y se obtiene como la Ve de los apartados 2 y 3.
Simplifique la ecuación que relaciona la tensión de salida V s en función de V e1 y V e2 para
el caso en que R 1 = R 2 y R 3 = R 4 y apunte el resultado en la hoja de respuestas. Complete la tabla
de medidas correspondiente a este apartado.
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7.- SUMADOR/RESTADOR.
El esquema del circuito viene dado por la siguiente figura:
En este circuito se tienen cuatro tensiones de entrada v e1 , v e2 , v e3 y v e4 . En el caso
considerado en que R 1 = R 2 = R 3 = R 4 diseñe un experimento similar al de los apartados
anteriores, explicando cómo obtiene las tensiones de entrada y efectúe medidas similares a las de
los apartados anteriores recogidas en una tabla. Comente las ideas con el profesor antes de
llevarlas a cabo. Presente todo ello en la hoja de resultados de la forma más concisa y completa
posible en el apartado 7.
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CUESTIONARIO PREVIO PRÁCTICA 5
NOMBRE
APELLIDOS
Responda brevemente las siguientes cuestiones:
1. ¿A partir de qué componentes está construido un amplificador operacional? ¿Es un dispositivo
discreto o un circuito integrado?
2. Enumere los terminales principales de un amplificador operacional y dibuje su símbolo.
3. ¿Qué hace un amplificador?
4. ¿Por qué es necesario usar realimentación negativa para realizar circuitos amplificadores útiles
a partir de un amplificador operacional?
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5. Dibuje la característica de transferencia de un amplificador operacional (vo = f(vd)) en lazo
abierto e indique los nombres de cada una de las zonas
6. Busque una hoja de características de un amplificador operacional y adjúntela a este
cuestionario.
7. Elija tres parámetros de la hoja de características que ha buscado y ponga su valor y su
significado.
8. Indique dos diferencias entre un amplificador operacional ideal y uno real.
9. Escriba las ecuaciones de la restricción del punto suma.
10. Analice el siguiente circuito e indique una expresión para la ganancia de tensión
R2
R1
Out
Vin
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CUESTIONARIO DE EVALUACIÓN PRÁCTICA 5
NOMBRE
APELLIDOS
Fecha
PRÁCTICA DE CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES
NOMBRE:__________________________________________ FECHA:____________
1.- ALIMENTACIÓN DEL AO.
Valores obtenidos:
+V =
–V =
2.- AMPLIFICADOR INVERSOR.
Ve
Teórico
Real
Vs
Esperado
(R 2 = 1k2)
Medido
Vs
Esperado
(R 2 = 2k2)
Medido
Vs
Esperado
(R 2 = 3k3)
Medido
Vs
Esperado
(R 2 = 10k)
Medido
0.2 V
0.4 V
0.6 V
0.8 V
1.0 V
0.6 V
0.8 V
1.0 V
3.- AMPLIFICADOR NO INVERSOR.
Ve
Teórico
Real
Vs
Esperado
(R 2 = 1k2)
Medido
Vs
Esperado
(R 2 = 2k2)
Medido
Vs
Esperado
(R 2 = 3k3)
Medido
Vs
Esperado
(R 2 = 10k)
Medido
0.2 V
0.4 V
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4.- SUMADOR INVERSOR.
Ecuación que relaciona la tensión de salida v s en función de v e1 y v e2 para el caso en que R 1 = R 2
= R3.
Vs =
V e1
Teórico
Real
5.0 V
5.0 V
5.0 V
5.0 V
5.0 V
5.0 V
V e2
Teórico
Real
0.2 V
0.4 V
1.0 V
2.0 V
3.0 V
4.0 V
Vs
Esperado
Medido
5.- SUMADOR NO INVERSOR.
Ecuación que relaciona la tensión de salida v s en función de v e1 y v e2 para el caso en que R 1 = R 2
= R3 = R4.
Vs =
V e1
Teórico
Real
5.0 V
5.0 V
5.0 V
5.0 V
5.0 V
5.0 V
V e2
Teórico
Real
0.2 V
0.4 V
1.0 V
2.0 V
3.0 V
4.0 V
Vs
Esperado
Medido
6.- RESTADOR.
Ecuación que relaciona la tensión de salida v s en función de v e1 y v e2 para el caso en que R 1 = R 2
y R3 = R4.
Vs =
V e2
Teórico
Real
5.0 V
5.0 V
5.0 V
5.0 V
5.0 V
5.0 V
V e1
Teórico
Real
0.2 V
0.4 V
1.0 V
2.0 V
3.0 V
4.0 V
Vs
Esperado
Medido
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7.- SUMADOR/RESTADOR.
COMENTARIOS, EXPLICACIONES Y RESULTADOS.
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