08 de NOVIEMBRE
Ingeniería Eléctrica
de 2017
INGENIERÍA ELÉCTRICA
[LABORATORIO DE CIRCUITOS
ELECTRÓNICOS II ] 1
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E L AMPLI F I CADOR OPER ACI ONAL Huari Montoya George Angel Luque Cisneros Miguel Angel Zapata Yarleque Kevin Cermeñop Torres Jhorman F acultad de I ngeniería Eléctrica y E lectrónica, Universidad Nacional Mayor De San Marcos, Perú, L ima
En este artículo analizaremos el AMPLIFICADOR OPERACIONAL y para ello esta experiencia se basara en las configuraciones básicas de los mismos, específicamente hablando del amplificador sumador-inversor, el amplificador comparador, el amplificador integrador y el amplificador derivador con los cuales llegamos a conocer el circuito de configuración básica para que funcionen de la manera deseada. La función de cada uno en el control es muy amplia, así que aquí conoceremos porque la salida se obtiene de cierta manera dependiendo de la configuración del circuito; conoceremos también porque se obtienen las ganancias a la salida, es decir, la expresión matemática que hace posible que podamos ver desfases, amplificaciones y formas de onda. Todas las características de los circuitos que se han descrito son importantes, puesto que, son las bases para la completa fundamentación de la tecnología de los circuitos amplificadores operacionales. Palabras Claves — Osciloscopio, Generador De Señales, Amplificador
Operacional, Circuito Sumador-Inversor, Circuito Integrador, Circuito Derivador, Circuito Comparador, Protoboard, Multímetro Digital, Fuente DC, OFFSET-NULL, Slew Rate.
In this article we will analyze the OPERATIONAL AMPLIFIER and for this, this experience will be based on the basic configurations of the same, it will refer to the summing-inverter amplifier, the comparator amplifier, the integrating amplifier and the derivative amplifier with which you will get to know the circuit For the desired function in the desired way. The function of each one in the control is very wide, so here we know because the exit can be advanced in the way it is. It is also known because the output gains, that is, the mathematical expression that makes it easier to see, amplify and waveforms. All the characteristics of the circuits that have been described are important, since, the bases for the complete of the technology of the operational amplifier circuits. Key Words-Oscilloscope, Signal Generator, Operational Amplifier,
Summer-Inverter Circuit, Integrator Circuit, Shunt Circuit, Comparator Circuit, Protoboard, Digital Multimeter, DC Source, OFFSET-NULL, Slew Rate.
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1 Los orígenes del amplificador operacional se remontan a la cuarta década del siglo XX, cuando los circuitos básico se construían utilizando bulbos de vacío para efectuar operaciones matemáticas tales como la suma, la resta, la multiplicación, la división, la derivación y la integración. Este avance permitió la construcción de computadoras analógicas (en contraste con las digitales) para resolver ecuaciones diferenciales complejas. El primer amplificador operacional monolítico construido como circuito integrado, fue desarrollado en 1964 en la empresa Fairchild Semiconductor por el ingeniero electricista estadounidense Robert John Widlar y llevó el número de modelo μA702. 1A éste le siguió el μA709 (1965),
también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular μA741 (1968), desarrollado por
David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar, el cual se convirtió en estándar de la industria electrónica.
FIGURA1.1.-Simbología de un Operacional (LM741)
Un amplificador operacional, o amp-op, es un amplificador diferencial de muy alta ganancia con alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Los usos típicos del amplificador operacional son proporcionar cambios en la amplitud del voltaje (amplitud y polaridad), en osciladores, en circuitos de filtrado y en muchos tipos de circuitos de instrumentación. Un amplificador operacional contiene varias etapas de amplificadores diferenciales para alcanzar una muy alta ganancia de voltaje. La figura 1.2 muestra un amplificador operacional básico con dos entradas y una salida, que sería el resultado de utilizar una etapa de entrada de un amplificador diferencial. Cada entrada produce ya sea la misma salida o una de polaridad (o fase) opuesta, dependiendo de si la señal se aplica a la entrada positiva o la entrada negativa respectivamente.
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F I GURA 1.2.- Amplificador Operacional Básico
La figura 1.3a muestra el circuito equivalente de ca del amplificador operacional. Como se ve, la señal de entrada aplicada entre las terminales de entrada experimenta una impedancia de entrada Ri que suele ser muy alta. Se muestra que el voltaje de salida debe ser la ganancia del amplificador por la señal de entrada tomada a través de una impedancia de salida Ro, la que por lo general es muy baja. Un circuito de amplificador operacional ideal, como el de la figura 1.3b, tendría una impedancia de entrada infinita, una impedancia de salida cero y una ganancia de voltaje infinita.
El amplificador operacional se puede conectar en una gran cantidad de circuitos para obtener varias características de operación. En esta sección nos ocupamos de algunas de las conexiones más comunes de estos circuitos.
El circuito amplificador de ganancia constante más ampliamente utilizado es el amplificador inversor, como se muestra en la figura 1.4. La salida se obtiene multiplicando la entrada por una ganancia fija o constante establecida por el resistor de entrada y el resistor de realimentación ( ) : esta salida también se invierte a partir de la entrada. Podemos escribir:
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Figura 1.4- Multiplicador De Ganancia Constante Inversor .
La conexión de la figura 1.5.a muestra un circuito de amplificador operacional que funciona como amplificador no inversor o multiplicador de ganancia constante. Es de notar que la conexión de amplificador inversor se utiliza más porque es más estable en frecuencia (lo cual analizaremos más adelante). Para determinar la ganancia de voltaje del circuito, podemos utilizar la representación equivalente mostrada en la figura 1.5.b. Observe que el voltaje a través de es puesto que ≈ 0 Éste debe ser igual al voltaje de salida, a través de un divisor de voltaje de y , de modo que:
Figura 1.5.- Multiplicador De Ganancia Constante No Inversor.
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El circuito de seguidor unitario, como se muestra en la figura 1.6.a, proporciona una ganancia unitaria (1) sin inversión de polaridad o fase. Por el circuito equivalente (vea la figura 1.6b) es evidente que = y que la salida es de la misma polaridad y magnitud que la entrada. El circuito opera como un circuito en emisor — seguidor o en fuente — seguidor, excepto que la ganancia es exactamente unitaria.
Figura 1.6.-(a) Seguidor Unitario; (b) Circuito Equivalente De Tierra Virtual.
Probablemente el circuito más utilizado de los circuitos de amplificador operacional es el amplificador sumador mostrado en la figura 1.7.a. El circuito muestra un circuito de amplificador sumador de tres entradas, el cual permite sumar algebraicamente tres voltajes, cada uno multiplicado por un factor de ganancia constante.
Figura 1.7.- (a) Amplificador Sumador; (b) Circuito Equivalente De Tierra Virtual.
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Utilizando la representación equivalente mostrada en la figura 1.7.b, podemos expresar el voltaje de salida en función de las entradas como
En otras palabras, cada entrada agrega un voltaje a la salida multiplicado por su multiplicador de ganancia constante distinta. Si se utilizan más entradas, cada una de ellas agrega un componente adicional a la salida.
En la figura 5 se muestra un diferenciador. Aunque no es tan útil como los circuitos antes descritos, sí proporciona una operación útil, la relación resultante para el circuito que es donde el factor de escala es −.
Figura 1.8. Circuito Diferenciador.
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Hasta ahora, los componentes de entrada y realimentación han sido resistores. Si el componente de realimentación utilizado es un capacitor, como se muestra en la figura 1.9a, la conexión resultante se llama integrador. El circuito equivalente de tierra virtual (figura 1.9b) muestra que se puede derivar una expresión para el voltaje entre la entrada y la salida en función de la corriente de la entrada a la salida. Recuerde que tierra virtual implica que podemos considerar que el voltaje en la unión de y está a tierra (puesto que ≈ 0 ) pero que no fluye corriente hacia tierra en ese punto. La impedancia capacitiva puede expresarse como
Donde = está en la notación de Laplace*. Resolviendo / para resulta
FI GURA 1.9.- Integrador
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Esta expresión puede escribirse de nuevo en el dominio del tiempo como
Esta ecuación muestra que la salida es la integral de la entrada, con una inversión y un factor de escala de La capacidad de integrar una señal dada en una computadora analógica le permite resolver ecuaciones diferenciales y por consiguiente resolver eléctricamente análogos de operación de sistemas físicos. La operación de integración es una operación de suma, ya que para calcularla se suman áreas bajo una forma de onda o curva durante un breve tiempo. Si se aplica un voltaje fijo como entrada a un circuito integrador, la ecuación anterior muestra que el voltaje de salida se incrementa durante un tiempo y produce un voltaje con forma de rampa. Podemos entender por tanto que la ecuación ya mencionada nos muestra que la rampa de voltaje de salida (con un voltaje de entrada fijo) es de polaridad opuesta al voltaje de entrada y que está multiplicada por el factor Aunque el circuito de la figura 1.9 puede operar con muchos tipos de señales de entrada.
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La experiencia realizada en este laboratorio es muy importante ya que nos permite observar y comprender que el amplificador operacional mediante las distintas configuraciones que este posee nos permite diseñar bloques funcionales con un comportamiento que es independiente de las características del elemento amplificador. Con él se consigue diseñar circuitos electrónicos muy precisos y estables aun cuando se utilice tecnología semiconductora que en sí es imprecisa e inestable. Además de que estos elementos tienen gran número de manufactureros y un gran número de tipos disponibles. Y todo ello contribuirá de manera eficaz en nuestro aprendizaje y comprensión.
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-Estudiar el AMPLIFICADOR OPERACIONAL, sus aplicaciones y sus configuraciones mas conocidas.
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-Osciloscopio
-Generador de señales de audio frecuencia -Multímetro digital -Fuente de Alimentación Doble -Amplificador Operacional 741 -Resistores de ¼ W de 1K(4), 10K (2), 100K -Condensador de 0.01uF, 0.02Uf(2). -Protoboard -Cables de conexión diversos -Diodo 1N4148
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5 Procedimiento realizado Implemente el circuito de la figura
Varíe el potenciómetro hasta que la salida sea cero con Vi = 0. Varíe luego todo el potenciómetro y encontrar los valores extremos de V0 cuando el cursor se varía en todo su rango. A.
V omáx =
V omin =
(El potenciómetro proporciona la corrección OFFSET-NULL) Retorne el cursor a la posición que permite que V0 = 0 Teniendo cuidado de conectar en forma correcta las fuentes DC y con Vi = 0, mida las tensiones en todos los terminales del amplificador operacional. Complete la tabla. B.
-12.02
-12.02
0.11
-0.013
0.001
12
-12.02
0.008
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Aplique como Vi una señal sinusoidal de 1 KHz de 1 V pp y observe la salida a fin de determinar la ganancia del amplificador C.
Vi =
V omin =
Av =
F I GUR A 1.10.- Entrada y Salida a una Frecuencia de 1KHz
Retire momentáneamente la resistencia de 100K y observe V0. Para asegurarse de su conclusión, varíe la frecuencia amplitud de Vi para observar el efecto. Coloque nuevamente la resistencia. D.
F I GUR A 1.11.- Entrada y Salida a una Frecuencia de 11.66 kHz
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F I GUR A 1.12.- Entrada y Salida a una Frecuencia de 12.07 kHz
F I GUR A 1.13.- Entrada y Salida a una Frecuencia de 83.13 KHz
Varíe la frecuencia del generador manteniendo Vi constante a fin de determinar la respuesta en frecuencia del amplificador. E.
Observe la distorsión producida por el fenómeno del “slew rate”.
F I GURA 1.14.- Distorsión Producida Por El Fenómeno Del “Slew Rate”.
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F I GURA 1.15.- Distorsión Producida Por El Fenómeno Del “Slew Rate”.
F I GURA 1.16.- Distorsión Producida Por El Fenómeno Del “Slew Rate”.
La pendiente es el “Slew Rate”
=
Para el circuito:
=
21.4 = . 44
Implemente el circuito mostrado en la figura 2. Ello permitirá sumar una señal DC a la señal Vi.
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F I GURA 1.17.- Circuito Sumador-Inversor
Varíe el potenciómetro y observe el desplazamiento de la salida, anotando Vi, VR y Vo con componentes DC. Anote los valores extremos de VR que ocasionan un recorte en Vo. Dibuje las formas de onda observadas. F.
o
Vi =
o
V R1 =
o
V R2 =
o
V o =
F I GURA 1.18.- Corte Superior De VR Que Ocasionan Un Recorte En V o
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F I GURA 1.19.- Corte Inferior De VR Que Ocasionan Un Recorte En Vo
COMPARADOR. Arme el circuito de la figura (no considere el
diodo) y observe la señal de salida, variando el potenciómetro a fin de cambiar el nivel de la tensión de referencia. Dibuje la curva V0 versus VR.
F I GUR A 1.20.- Circuito Comparador.
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F I GUR A 1.21.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.22.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.23.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
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F I GUR A 1.24.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.25.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.26.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
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F I GUR A 1.27.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.28.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.29.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
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F I GUR A 1.30.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.31.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
Agregue un diodo en el circuito de la figura el que se conecta por líneas punteadas en el dibujo. G.
F I GUR A 1.32.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
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F I GUR A 1.33.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.34.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.35.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
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F I GUR A 1.36.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.37.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.38.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
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F I GUR A 1.39.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.40.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
F I GUR A 1.41.- Entrada y la Curva V 0 Versus V R
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Arme el circuito de la figura. Dibuje las señales de salida.
F I GUR A 1.41.- Circuito Integrador.
F I GUR A 1.42.- Entrada y Salida del Circuito Integrador.
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Arme el circuito de la figura. Dibuje las señales de salida.
F I GUR A 1.43.- Circuito Derivador
F I GUR A 1.44.- Entrada y Salida del Circuito Derivador
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Con el presente trabajo de investigación se ha llegado a la conclusión de que el amplificador operacional en la electrónica actual es el que permite diseñar bloques funcionales con un comportamiento que es independiente de las características del elemento amplificador. Con él se consigue diseñar circuito electrónico muy preciso y estable. Un amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señales normales o definidas por fabricantes. Que pueden ser manejadas por configuraciones básicas de un amplificador operacional. Y por medio de Operaciones lógicas básicas. Podemos decir que sus aplicaciones están presentes en los sistemas electrónicos de control industrial, en instrumentación nuclear, en instrumentación médica, en equipos de telecomunicaciones y audio, etc. El uso de los amplificadores operacionales en sistemas de control es básico, así que es vital conocer las configuraciones de las operaciones en los amplificadores. Toda configuración da una salida diferente, por ello es que como ingenieros aprendamos a conocer como pedirle a un amplificador operacional que cumpla con cierta demanda que nosotros requiramos del mismo. Hoy en día su utilidad es indispensable, ya que es utilizado para la fabricación de productos eléctricos. Ya sean electrodomésticos, computadoras, televisores, lavadoras. Porque se emplean también en cada una de ellas para su diseño, las operaciones básicas lógicas. Y que sin ellas no tendríamos el avance tecnológico que tenemos hoy en día y que seguiremos disfrutando.
Antes que nada revisar los coaxiales de los contrario la señal que nos aparezca en el osciloscopio estará distorsionada o solo nos saldrá como si no hubiera señal. Debemos saber cómo esta enumerada las patitas del amplificador para poder hacer bien las conexiones. Revisar cuidadosamente la alimentación del amplificador que en la para 7 debe estar alimentada positivamente y la 4 negativamente de lo contrario quemaremos al amplificador.
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R eferencias [1] ROBERT L. BOYLESTAD LOUIS NASHELSKY -
Electrónica: Teoría De Circuitos Y Dispositivos Electrónicos [2]file:///C:/Users/Usuario/Desktop/Curso%20Amplificadore s%20Operacionais.pdf. [4] http://panamahitek.com/amplificadores-operacionales-ysu-uso-en-la-electronica/ [3]http://www.ifent.org/temas/amplificadores_operacionales. asp [5]http://ocw.um.es/ingenierias/tecnologia-y-sistemaselectronicos/material-de-clase-1/tema-6.-amplificadoresoperacionales.pdf
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