practica nº 1: aplicaciones del amplificador operacional

INGENIERIA INFORMATICA
FUNDAMENTOS TECNOLOGICOS DE LOS COMPUTADORES
PRACTICA Nº 1: APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR
OPERACIONAL
El objetivo de esta práctica es la medida en el laboratorio de distintos circuitos con el
amplificador operacional 741. Analizaremos aplicaciones lineales y no lineales sin más
que cambiar algunos elementos externos. Ésta práctica se desarrollará en dos
sesiones de dos horas cada una:
Sesión 1.1: Aplicaciones del amplificador operacional I: configuraciones
amplificadoras y sumador
Sesión 1.2: Aplicaciones del amplificador operacional II: derivador, integrador y
amplificador logarítmico.
El amplificador operacional 741 es un circuito integrador de bajo coste y de propósito
general. Es un circuito que amplifica la diferencia entre su entrada no inversora, V+, y
la no inversora V-, de acuerdo con el siguiente modelo:
V
Ro
+
Ri
Vo
A v (V + -V -)
VFigura 1.1: modelo amplificador operacional.
Donde vamos a considerar que el amplificador operacional es ideal y, por tanto, Ri→∞,
AV→∞ y Ro→0. Además de los dos terminales de entrada y el de salida, el circuito
tiene dos terminales adicionales para la alimentación.
El circuito integrado que se va a utilizar consta de 8 pines de conexión, numerados en
sentido opuesto a las agujas del reloj empezando por el extremo que queda a la
izquierda de la marca del encapsulado tal y como se muestra en la figura siguiente:
FTC.1
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Vista superior
1
2
3
4
741
- Entrada inversora, V-: Pin 2.
8
7
6
5
- Entrada no inversora, V+ : Pin 3.
- Salida, Vo : Pin 6.
- Alimentación positiva (+15 V):Pin 7.
- Alimentación negativa (-15 V):Pin 4.
- El resto de pines se dejan sin
conectar.
Figura 1.2: patillaje 741.
Muy importante: La tierra de las alimentaciones +15 V y –15 V debe estar
cortocircuitada a la tierra de la señal de entrada y del osciloscopio (cuando se use
éste).
SESIÓN 1.1: Aplicaciones del amplificador operacional I
Instrumental de laboratorio:
•
Osciloscopio.
•
Polímetro.
•
Fuente de tensión continua.
•
Generador de señal alterna.
Componentes electrónicos:
•
1 amplificador operacional
•
3 resistencias.
1.1.1. Amplificador en configuración no inversora:
OBJETIVO
Medida con el osciloscopio de la característica de transferencia del circuito, Vo=f(Vi),
calculando su ganancia y los puntos de saturación.
FTC.2
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CIRCUITO
R2
R1
+15 V
+
Vi
Vo
-15 V
Figura 1.3: amplificador en configuración no inversora.
•
Elegir los valores para que R2>R1.
•
Ganancia en la zona lineal: 1+ R2/R1.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Poner en la entrada una señal sinusoidal con el generador de señal a 1 kHz
de frecuencia y una amplitud grande (>10 V).
2. Colocar la sonda del CH1 del osciloscopio a la entrada y la CH2 a la salida
y poner el osciloscopio en modo de medida X-Y (en la base tiempos).
3. En esa gráfica que representa Vo en función de Vi, medir la pendiente que
será la ganancia del circuito (-R2/R1) y los puntos exactos donde la
respuesta es plana por saturación.
4. Representar gráficamente estos datos comparándolos con la teoría.
1.1.2 Amplificador en configuración inversora:
OBJETIVO
Medida con el osciloscopio de la característica de transferencia del circuito, Vo=f(Vi),
calculando su ganancia y los puntos de saturación.
FTC.3
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CIRCUITO
R2
R1
+15 V
+
Vi
Vo
-15 V
Figura 1.4: amplificador en configuración inversora.
•
Elegir los valores para que R2>R1.
•
Ganancia en la zona lineal: -R2/R1.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Idéntico al apartado anterior
1.1.3. Amplificador sumador inversor:
OBJETIVO
Medida con el osciloscopio de la característica de transferencia del circuito, Vo=f(Vi),
calculando su ganancia.
CIRCUITO
R2
R3
V2
V
1
R1
+
+15 V
Vo
-15 V
Figura 1.5: amplificador sumador inversor.
FTC.4
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•
Elegir los valores para que R3=R1 <R2.
•
Ganancia en la zona lineal: − R2 
•
Tomar para V1 una señal sinusoidal y para V2 una tensión continua de la fuente
 V1 V2 
 .
+
 R1 R3 
ajustable.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Medir en el osciloscopio algunos puntos de la tensión de salida en la zona lineal para
poder comprobar que la ecuación de la ganancia se cumple:
1. Poner el osciloscopio en el modo normal (amplitud frente a tiempo) y
visualizar la entrada V1 y la salida Vo.
2. Medir con los cursores la amplitud de ambas señales en varios puntos:
(máximo y mínimo por ejemplo de las ondas) y verificar la expresión de
la ganancia.
3. Cambiar la tensión de entrada V2 de la fuente ajustable y volver a medir.
Comprobar que incrementando esta entrada se entra en saturación y se
recorta la señal de salida.
FTC.5
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SESIÓN 1.2: Aplicaciones del amplificador operacional II.
Instrumental de laboratorio:
•
Osciloscopio.
•
Polímetro.
•
Fuente de tensión continua.
•
Generador de señal alterna.
Componentes electrónicos:
•
1 amplificador operacional
•
2 resistencias.
•
1 condensador
•
1 transistor bipolar
1.2.1. Circuito derivador.
OBJETIVO
Comprobar en el dominio del tiempo la respuesta del circuito derivador con
amplificador operacional.
CIRCUITO
R
C
Vi
+
+15 V
Vo
-15 V
Figura 1.6: circuito derivador.
Tomar R·C= 10-4 (por ejemplo C = 100 nF y R = 1 kΩ)
Este circuito, tal y como se ha demostrado en clase, tiene la siguiente tensión de
salida:
vo (t ) = − R ⋅ C ⋅
dvi (t )
dt
(1.1)
FTC.6
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Introducir a la entrada una señal sinusoidal de amplitud 10V y f = 1 kHz.
2. Calcular teóricamente el resultado de la ecuación 1 con esa señal de entrada.
3. Comprobar con el osciloscopio el punto anterior: midiendo la amplitud de la
señal de salida y compararla con la dada por la ecuación 1. Dibuje lo
observado.
4. Introducir una señal triangular, medir y representar la señal de salida obtenida.
Justifíquela.
1.2.1. Circuito integrador (filtro paso baja).
OBJETIVO
Comprobar en el dominio del tiempo y de la frecuencia la respuesta del circuito
integrador con amplificador operacional.
CIRCUITO
C
R2
R1
Vi
+
+15 V
Vo
-15 V
Figura 1.7: circuito integrador (filtro paso baja).
Tome R2·C=10-4 y R1= R2
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Comprobar con el osciloscopio que la salida es proporcional a la integral de la
entrada cuando la señal de entrada es una seno y una señal cuadrada. Dibujar
lo observado en la pantalla.
2. Obtener y representar gráficamente el diagrama de Bode en amplitud de este
circuito, es decir, medir la tensión de salida pico a pico, la tensión de entrada
FTC.7
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pico a pico (señal senoidal de 10 V pico a pico), para cada frecuencia en el
rango de 500 Hz a 100 kHz y representar el 20 logaritmo de su cociente frente
al logaritmo de la frecuencia (repasar los guiones de prácticas de la asignatura
de fundamentos físicos).
3. ¿Qué ocurre si se elimina R2?. Dibuje lo que ocurre y explíquelo.
1.2.1. Amplificador logarítmico.
OBJETIVO
Comprobar la respuesta del amplificador logarítmico.
CIRCUITO
T1
R1
Vi
+
+15 V
Vo
-15 V
Figura 1.8: amplificador logarítmico.
En ese circuito, la tensión de salida viene dada por:
Vo = -VT·ln(K·Vi/R1)
(1.2)
donde VT y K son constantes dependientes de la temperatura y del transistor usado.
Use R1 = 1 kΩ y el transistor bipolar suministrado.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Introducir a la entrada la fuente continua ajustable entre 0 y +15 V. En el rango
de entrada de 0 a 1 V en pasos de 0.1 V y hasta 15 V en pasos de 1 V.
FTC.8
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2. Mida con el polímetro la tensión de salida en función de la entrada en el rango
señalado. Represente gráficamente la tensión de salida Vo, en función de ln(Vi)
obteniendo el ajuste por mínimos cuadrados de la curva obtenida.
3. Introduzca más puntos de Vi donde la salida varíe más rápidamente.
FTC.9