práctica 11. amplificador operacional i

Prácticas Circuitos Electrónicos. 2ºT
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PRÁCTICA 11. AMPLIFICADOR OPERACIONAL I
1. Objetivo
El objetivo de esta práctica es el estudio del funcionamiento del amplificador
operacional, en particular de dos de sus montajes típicos que son como amplificador
inversor e integrador.
2. Material necesario
La práctica se realizará en un aula del Centro de Cálculo, donde se hará uso de
MicroCap 9 version demo.
3. Conocimientos previos
El alumno debe conocer el funcionamiento básico del amplificador operacional y las
funciones básicas de MicroCap 9.
4. Introducción Teórica
El amplificador operacional (“op-amp”) puede definirse como un amplificador de tensión
de elevada ganancia, con entrada diferencial y salida única (Figura 1). En
funcionamiento lineal, la tensión de salida es igual a la diferencia entre las tensiones de
entrada multiplicada por la ganancia.
Al ser un dispositivo activo dispone de dos
terminales adicionales para la alimentación del
dispositivo.
Debido a la elevada ganancia que tiene este
dispositivo, en gran parte de sus aplicaciones
aparece en montajes con realimentación.
Para simplificar los análisis se suele emplear
un
modelo
simplificado,
denominado
amplificador ideal , cuyas características
veremos a continuación:
Vi = V+ − V− = Ri ⋅ I i
Vo = A ⋅ Vi
RL
RL + Ro
Figura 1: amplificador operacional
Debido a la elevada impedancia de entrada, se
puede considerar que por los terminales de
entrada no circula intensidad.
Aunque disponen de una baja impedancia de
salida, siempre que dicha impedancia sea
mucho menor que la de carga ( Ro << RL ), se
puede considerar que la tensión de salida no
depende de la carga.
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Por último, debido a la elevada ganancia del dispositivo (cuando está funcionando en
zona lineal), se puede considerar que la tensión diferencial de entrada es nula.
Los amplificadores operacionales son de los primeros circuitos donde todos sus
componentes se encontraban miniaturizados en la misma pastilla de silicio (circuito
monolítico), con sólo los terminales de acceso disponibles exteriormente.
La primera versión del op-amp 741 (objeto de nuestra práctica) lo fabricó la empresa
Fairchild en 1968. Aunque existen desarrollos mucho mejores, este componente se usó
como referencia (existen muchos dispositivos pin-compatible en el mercado) y sigue
fabricándose en la actualidad. Otra ventaja es que al disponerse del esquema del
mismo para su estudio, se le suele emplear mucho como punto de partida de diseño.
A pesar de que el modelo ideal anteriormente comentado es de gran utilidad, es
necesario puntualizar que existen un conjunto de limitaciones que es necesario
conocer, entre las que destacamos:
•
•
•
Saturación: La tensión de salida está limitada por las tensiones de alimentación
del dispositivo. En el caso de que el dispositivo alcance la saturación, dejará de
funcionar linealmente y la tensión diferencial de entrada dejará de ser nula.
Rango de salida: A menudo la tensión de salida satura antes de llegar a las
tensiones de alimentación, por lo que el rango de tensiones a la salida aparece
reducido.
Existe un tipo especial de operacionales modernos que no tienen esta limitación,
los “rail-to-rail op-amps” pueden alcanzar las tensiones de alimentación, por lo
que tienen el rango de salida completo.
Slew-Rate: Las variaciones de la tensión de salida están limitadas, cualquier
cambio a una tasa superior, aparecerá con la tasa límite en la salida. Esta
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característica se debe a las capacidades internas de compensación del
dispositivo y forma parte del comportamiento no lineal del dispositivo (por lo que
no se puede analizar en pequeña señal).
Comportamiento frecuencial limitado: todos los dispositivos reales poseen
limitaciones frecuenciales, y los op-amps no son una excepción.
La mayor parte de los op-amps son circuitos de
polo dominante, cuyo comportamiento se puede
describir mediante:
-Ganancia estática AO : Es la ganancia a bajas
frecuencias.
-Frecuencia superior wo : límite superior de la
ganancia estática
-Frecuencia de ganancia unidad GBP : es la
frecuencia a la que la ganancia se hace 1 (0dB)
Estas características son del amplificador sin
realimentar (bucle abierto), modificándose cuando
el amplificador está realimentado.
La frecuencia de ganancia unidad (Gain Bandwidth
Product) es un invariante, que se mantiene cuando
el op-amp está realimentado.
•
•
Impedancia de salida: como se ha comentado anteriormente, si Ro << RL
podemos suponer la tensión de salida independiente de la carga. Debe tenerse
en cuenta que la red de realimentación actúa como carga, siendo posible que en
ocasiones no se verifique la hipótesis anterior, debiéndose considerarse la
intensidad y por tanto la Ro en los análisis.
Offset de tensiones: Aunque idealmente cuando la tensión diferencial de
entrada Vi = 0 debería de haber tensión nula a la salida, esto no es así, debido
fundamentalmente a tolerancias de fabricación y asimetrías en el diseño. El
fabricante suele especificar una tensión a aplicar a la entrada.
En todo el desarrollo anterior hemos
supuesto que disponíamos de tensiones
de alimentación simétricas (split supply),
sin embargo en la mayor parte de los
sistemas actuales se trabaja con una
única alimentación (single supply).
En caso de alimentación única, la tensión de salida del op-amp varía entre 0 y la
tensión de alimentación, convirtiéndose la tensión nula de los circuitos con alimentación
simétrica en la tensión media.
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Para emplear alimentación única se unen
los terminales de alimentación del op-amp
a 0 y a la tensión de alimentación.
Para obtener la tensión media, sólo es
necesario colocar un divisor resistivo.
5. Realización de la práctica
Para todos los apartados de la práctica se debe utilizar el amplificador operacional
LM741 disponible dentro de las librerías básicas de MicroCap 9.
1. Simulación del amplificador operacional en montaje amplificador inversor
En el montaje amplificador inversor que nos ocupa, las ecuaciones del dispositivo son:
IR2=(Vin-VA)/R1=(VA-Vout)/R2
Vout= - Ad·VA
Figura 3: Montaje amplificador inversor
Asumiendo que el dispositivo funcione linealmente, podemos considerar despreciable
la tensión diferencial de entrada VA, y obtendríamos que un montaje cuya ganancia
depende del cociente de dos resistencias:
Vout = -R2/R1 · Vin
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1.A Alimentar el circuito con tensiones simétricas ±5V. Fijar el valor de la resistencia
R2 a 10kΩ y R1 a 2kΩ. Comprobar el correcto funcionamiento del inversor introduciendo
una señal senoidal de media 0v y amplitud 500mVpp y frecuencia 5kHz. Representa los
resultados ¿Qué ganancia se obtiene? (1.5 PUNTOS)
1.B Modifica la amplitud de la señal de entrada a 2Vpp. Representa la salida y justifica
el resultado (0.5 PUNTOS)
1.C Representar la respuesta en frecuencia (en magnitud y en fase) del montaje
haciendo un análisis AC desde 100 Hz hasta 1 GHz. Con esa información,
comprobaremos si son coherentes los valores de amplitud y fase con una frecuencia de
la señal de entrada de 1 MHz. Para ello, volver a hacer un análisis transitorio del
sistema y medir la amplitud de la señal de salida y el desfase de ésta frente a la señal
de entrada. (2 PUNTOS)
1.D. Calcular el slew rate del LM741. ¿Qué tipo de señal piensas que serviría para
observar la limitación de slew rate? ¿Por qué? (0.5 PUNTOS).
Simula el circuito inversor con una señal de entrada a 1 KHz. Justifica el resultado. (0.5
PUNTOS).
1.E. Para la misma señal de entrada del apartado 1.A modifica el montaje inversor de
modo que esté alimentado entre 0 y 10V (0.5 PUNTOS). Representa la señal de salida
de modo que se observe correctamente amplificada (0.5 PUNTOS). Modifica la
amplitud de la señal de entrada a 2Vpp. Compara los resultados con los del apartado
1.B (0.5 PUNTOS).
1.F. Empleando el circuito de alimentación única, modifica las resistencias por R2 a
500Ω y R1 a 100Ω y aplica la señal de amplitud 500mVpp. Qué diferencias observas
con el apartado anterior (0.5 PUNTOS). Calcular las intensidades suministradas por el
op-amp en ambos casos (1 PUNTO).
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2. Simulación del amplificador operacional en montaje integrador
El montaje a simular en MicroCap 9 es el de amplificador integrador, que se muestra en
la Figura 4, alimentado a ±5V.
Figura 4: Montaje integrador
La ecuación que caracteriza el comportamiento de dicho montaje es:
La señal de entrada debe ser una señal cuadrada de 100Hz de frecuencia y 300mV de
amplitud.
2.A Simular con un análisis transitorio el montaje integrador con C1=100nF y R2=10kΩ.
¿Qué forma de onda se obtiene a la salida?¿Por qué? Medir la pendiente de la señal
de salida. (1.5 PUNTOS)
2.B Simular con un análisis transitorio cambiando la forma de onda de la señal de
entrada añadiéndole un valor de DC de 0.3 voltios. ¿Qué forma de onda se obtiene a la
salida? ¿Por qué? (0.5 PUNTOS)
6. Bibliografía
•
http://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier
•
“A Single-Supply Op-Amp Circuit Collection”, Nota de aplicación SLOA058
de Texas Instruments
•
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ua741.html Hoja de componentes y
modelo SPICE del UA741,
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